EP1735657A1 - Optische vorrichtung zum aufbereiten eines strahles, insbesondere eines laserstrahles - Google Patents

Optische vorrichtung zum aufbereiten eines strahles, insbesondere eines laserstrahles

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EP1735657A1
EP1735657A1 EP05737877A EP05737877A EP1735657A1 EP 1735657 A1 EP1735657 A1 EP 1735657A1 EP 05737877 A EP05737877 A EP 05737877A EP 05737877 A EP05737877 A EP 05737877A EP 1735657 A1 EP1735657 A1 EP 1735657A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coupling prism
optical device
input beam
optical
coupling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05737877A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Ozygus
Juergen Erhard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1735657A1 publication Critical patent/EP1735657A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0972—Prisms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar

Definitions

  • the invention relates to an optical device for
  • a beam with a flat cross section into a beam with a less flat cross section, in particular a laser beam, with at least one optical element, into which at least a part of the beam is coupled as an input beam and from which at least a part of the beam emerges as an output beam.
  • the radiation from laser diodes is generally very astigmatic. This means that the extent of the radiation source and the angle of radiation of the light are different in the two room reindeer rings. This generally results in beam cross sections which have a very large width compared to the height. In particular, the radiation from laser diode bars cannot therefore be coupled directly into an optical fiber. An attempt is therefore made to prepare the beam so that its cross section is as symmetrical as possible by reducing the width and increasing the height. The ideal would be a radiation field that is as wide as it is high and has the same divergences in both directions. To this To achieve the goal or at least get close, "re-stacking methods" are used. In these areas of the radiation field of an input beam are shifted such that the output beam has at least approximately a desired intensity distribution.
  • a device which uses a plate cutter.
  • the beam offset in the Durcb passage is used by a plurality of plane-parallel plates.
  • the angle between the beam direction and the surface of the plate inside and outside the plate depends on the refractive index of the
  • the object of the present invention is to develop a device of the type mentioned at the outset in such a way that it can be manufactured and used more cheaply.
  • the optical element comprises a body which is at least sparing for the wavelengths of the beam t, b. which has two opposite surfaces with a central plane which is oriented such that it includes a first angle with a first spatial axis orthogonal to the longitudinal axis of the input beam and a second angle with a second spatial axis orthogonal to the longitudinal axis of the input beam and the first spatial axis, each of which is larger Are zero, and c. a coupling prism for coupling the input beam into the body on one surface and a coupling prism for coupling the output beam out of the body are arranged on the opposite surface of the body, d. wherein the coupling prism and the coupling prism, viewed in the direction of the longitudinal axis of the input beam, cover different areas on the body.
  • the device according to the invention can be produced very inexpensively, since instead of mirrors or thin and fan-shaped plates, a single transparent (for example crystal-clear) body is simply used, which is geometrically tilted and pivoted with respect to the longitudinal axis of the input beam in such a way that in light rays coupled in are totally reflected on the opposite surfaces and areas of the beam are "stacked". Corresponding prisms are used to couple in and out the light beam, which can also be easily manufactured. For beam preparation, only a maximum of three elements are required, which are also geometrically simple and easily adjustable relative to one another. The costs to be expended for beam processing, in particular in the case of laser diodes, are thus considerably reduced by the device according to the invention.
  • the physical effect used according to the invention is total reflection within an "optically dense" medium, in which light which is located inside a body which has a higher refractive index than the medium surrounding it (for example air) experiences total reflection within certain critical angles ,
  • the pivoting and tilting of the central plane of the body with respect to a plane perpendicular to the input beam and the distance between the two opposite surfaces determine the type and extent of the stacking.
  • the pivoting of the central plane is about an axis perpendicular to the plane of the input beam for the shift of areas of the radiation field in the direction of the plane of the Eixigangs beam is responsible ("slow axis"), whereas the generation of a certain "thickness" of the output beam is responsible for the tilting of the central plane about an axis that is perpendicular to the longitudinal axis of the input beam and in the plane of the input beam.
  • a first particularly preferred development is characterized in that the opposite surfaces of the optical body are at least approximately plane-parallel and flat. Basically, this creates a flat plate or square, which is particularly easy to manufacture. In addition: the course of the radiation in plane-parallel surfaces, which cause the total reflection of the radiation, is particularly easy to determine in advance.
  • the angle between the central plane and the first spatial axis is in the range from 40 ° to 50 ° and the angle between the central plane and the second spatial axis in the range from 5 ° to 60 °, in particular in the range from 30 ° to 40 ° lies, with the first spatial axis in the plane of the input beam.
  • the input beams in particular, which are generated by laser diode bars, can be processed very well, at the same time having small dimensions of the device and being easier and thus also more economical to manufacture.
  • a further advantageous embodiment of the optical device according to the invention is characterized in that the coupling prism is arranged in the region of a longitudinal edge of the body closest to the input beam, and the coupling prism is arranged in the region of a side edge of the body remote from the input beam.
  • the optical device can be formed in that the coupling prism and / or the coupling prism are / are connected to the body by means of an optical cement.
  • the coupling prism, the coupling prism and the body can be produced as separate elements which can be assembled in the manner of a modular system in accordance with the individual application requirements. It is conceivable, for example, to produce different sets of coupling prisms, coupling prisms and bodies, which can then be combined with one another as desired. As a result, optimal results are achieved under very different operating conditions at low costs.
  • a material whose refractive index corresponds as exactly as possible to that of the body and the prisms for example a UV-curing adhesive, can be used as a cement.
  • the coupling prism and / or the coupling prism in one piece with the body and preferably from the same material as the body.
  • the one-piece design of the optical device which is realized in this way simplifies handling during installation and reduces the risk of optical losses when the beam is coupled into the body and when the beam is coupled out of the body. Furthermore, separate assembly elements can be dispensed with.
  • the optical device according to the invention can be produced particularly inexpensively if the body, the coupling prism, the coupling prism or the one-piece unit comprising at least two of the previous elements are or are produced as an injection molded part, preferably made of plastic.
  • a collimation device is optically connected to the coupling prism and / or a focusing device is optically connected to the coupling prism or is integrated therein.
  • the optical device not only takes over the "stacking" but also the collimation, in particular of the fast axis. and / or the coupling of the beam into an optical fiber, for example.
  • the focusing device comprises a toric curved exit surface on the coupling-out prism.
  • a toric lens that is integral with the coupling-out prism is created, which has different focal lengths for the two spatial directions.
  • This unequal Focal lengths are required because the divergent differences, especially with laser radiation, are clearly different for the two spatial directions.
  • a toric curved exit surface can be realized on the AuskoppeL prism in a simple and inexpensive way.
  • the focusing device may comprise a light concentrator connected to the coupling-out prism, which is designed as a monolithic component and focuses the radiation through the plurality of total reflections on its outer boundary surfaces.
  • a focusing device also referred to as a "lens duct”
  • the dimensions of the light concentrator have to be adapted to the requirements placed on the focusing of the light beam. In most cases, the width of the radiation field will have to be reduced for both spatial directions.
  • the outer surfaces of the light concentrator, on which the total reflections take place can be both planar and curved.
  • a light concentrator in the "proposed type has the advantage that when the light is coupled into an optical fiber, the adjustment of the fiber can be dispensed with.
  • the fiber can be glued to the end of the light concentrator Costs saved in the manufacture and assembly of the optical device.
  • Collimating device comprises an entry surface on the coupling prism designed as a convexly curved lens. This also creates a lens "which collimates the radiation in the direction of the fast axis such a lens has a very large opening angle, so that only an aspherical surface comes into question.
  • the invention also relates to a steel shaping device for laser diode stacks. It is proposed that it comprises a plurality of optical devices of the above type, which are arranged one above the other in a stack. With such a beam shaping device, the radiation field of a stack of laser diode bars can be prepared in a simple manner.
  • Figure 1 shows a laser diode bar with an actual beam shape and a target beam shape
  • FIG. 2 shows a perspective view obliquely from behind of a first embodiment of an optical device for processing the laser beam from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a perspective view of the optical device from FIG. 2 from the front diagonally
  • FIG. 4 shows a perspective detailed illustration of an optical body of the optical device from FIG. 2;
  • Figure 5 is a perspective view obliquely from the front of a second embodiment of an optical device;
  • Figure 6 is a perspective view obliquely from behind of the optical device of Figure -5;
  • FIG. 7 shows a perspective illustration of an optical device according to FIG. 5 with a light concentrator
  • FIG. 8 shows a schematic illustration to explain the functional principle of the light concentrator from FIG. 7;
  • Figure 9 is a perspective view similar to Figure 6 of a third embodiment of an optical device
  • Figure 10 is a perspective view of a portion of a fourth embodiment of an optical device
  • FIG. 11 shows a perspective view obliquely from the front of a stack of several optical devices according to a sixth embodiment
  • Figure 12 is a perspective view obliquely from the rear of the stack of Figure 11.
  • a laser diode bar bears the reference number 10 overall.
  • the laser beam emitted by it is collimated with the aid of a cylindrical lens 12 in the direction of the fast axis.
  • the result is a laser beam 14 which is comparatively wide and flat
  • the laser beam 14 is to be symmetrized by means of a suitable device, which will be discussed in more detail below and which is symbolized in FIG. 1 only by an arrow 16. This means that the output beam 18 emerging from the optical device 16 is less wide and less flat than the input beam 14. It should be pointed out at this point that a “beam” here and below can also be understood to mean a bundle of individual beams.
  • the optical device 16 is shown in greater detail in FIGS. 2 and 3: It comprises a base plate 20, the plane of which is approximately parallel to the plane of the
  • Input beam 14 is.
  • a plate-shaped optical body 22 is mounted on the base plate 20. This is not perpendicular to the base plate 20, but, viewed in the direction of the input beam 14, is tilted backwards. In addition, the optical body 22 is also still around. an axis perpendicular to the plane of the input beam 14 is pivoted, that is to say it is inclined on the base plate 20. The exact geometric orientation of the optical body 22 is described below.
  • a coupling prism 24 is also mounted on the base plate 20, which has approximately the basic shape of a right-angled triangle and is placed flat on the base plate 20.
  • a hypotenuse surface 26 of the coupling prism 24 (FIG. 3) is over an optical cement (not shown) connected to the surface 28 of the optical body 22 facing the input beam 14 and covers an area 27 there.
  • the coupling prism 24 lies flat against the front surface 28 of the optical body 22, specifically in
  • An entry surface 30 of the coupling prism 24, which is formed by a catheter surface, is generally perpendicular to the input beam 14.
  • a coupling-out prism 34 is arranged on the base plate 20 on a rear surface 32 of the optical body 22. This is designed as an octagonal, irregular block. The side, top and bottom surfaces of the
  • Coupling prisms which are not provided with reference numerals, are aligned overall parallel to the axis of the input beam 14 and also of the output beam 18.
  • a contact surface 36 facing the optical body 22 is designed obliquely or tilted in both directions in such a way that it lies flat against the rear surface 32 of the optical body 22 at least in regions by means of an optical cement and covers an area 37 there.
  • An exit surface 38 of the coupling-out prism 34 opposite the contact surface 36 is again perpendicular to the axis of the output beam 18.
  • the coupling prism 24, the coupling prism 34 and the plate-shaped optical body 22 are each made as separate parts made of glass.
  • the coupling prism 24 serves to couple the input beam 14 into the optical body 22.
  • the coupling prism 34 has the function of coupling the output beam 18 out of the optical body 22. The actual preparation by re-stacking the laser radiation takes place in the optical body 22 through a large number of total reflections. This will now be explained with reference to FIG. 4:
  • a longitudinal axis of the input beam 14 is indicated as a dash-dotted line which bears the reference symbol 40.
  • the plane of the input beam 14 is drawn in dash-dotted lines and designated 42.
  • Input beam 14 orthogonal spatial axis X is designated 44 and lies in the plane 42 of the input beam.
  • a second Y axis orthogonal to the longitudinal axis 40 of the input beam 14 is perpendicular to the plane 42 of the input beam 14 and is designated by 46.
  • a central plane 48 is defined between the two surfaces 28 and 32 of the optical body 22. As already mentioned at the beginning, this is tilted backward by an angle A with respect to the Y axis 46. It is also pivoted by an angle B with respect to the X axis 44.
  • this is tilted backward by an angle A with respect to the Y axis 46. It is also pivoted by an angle B with respect to the X axis 44.
  • the angle A is approximately 35 °
  • the angle B is 45 °
  • a thickness D of the plate-shaped optical body 22 is the same everywhere and is approximately 0.7 mm in the present exemplary embodiment.
  • the principle of total reflection is used in the beam preparation within the optical body 22. This means that light, which is located within the optical body 22, the material of which has a higher refractive index than the medium surrounding it (generally air), is completely reflected within certain critical angles at the exposed areas of the surfaces 28 and 32. At the not exposed areas of the surfaces 28 and 32 of the optical Body 22, namely the area 27 covered by the hypotenuse surface 26 of the coupling prism 24 and the area 37 covered by the contact surface 36 of the coupling prism 34 (compare FIGS. 2 and 3), however, there is no total reflection, since the coupling prism 24,
  • Coupling prism 34 and optical body 22 are made of the same material with the same refractive index.
  • the beam path of the partial beam 14a of the input beam 14 is considered: This is coupled into the optical body 22 through the coupling prism 24 (not shown in FIG. 4). In the area of a point 50, however, the areas 27 and 37 overlap.
  • the input beam 14a is therefore not reflected on the rear surface 32 of the optical body 22, but is immediately coupled out again from the optical body 22 via the coupling prism 34. It emerges as partial beam 18b from the optical body 22 and finally from the coupling-out prism 34.
  • the partial output beam 18a has the same direction and position as the partial input beam 14a.
  • the partial input beam 14b is also coupled into the optical body 22 via the coupling prism 24. However, this takes place at a point 52 where the rear surface 32 is exposed. Due to the inclination of the optical body 22 and thus also the rear surface 32, the partial input beam 14b is completely reflected at a point 54a on the free rear surface 32. Due to the pivoting of the central plane 48 and thereby also the two surfaces 28 and 32 by the angle B about the Y axis 46, the input beam 14b does not strike the rear surface 32 perpendicularly, but rather obliquely, and is therefore reflected to the side. Due to the tilt of the central plane 48 and thereby also the rear surface 32 by the angle A about the X-axis 44, the partial input beam 14b is also reflected obliquely upwards relative to the central plane 48 at the reflection point 54a.
  • the partial input beam 14b again strikes the front surface 28 of the optical body 22. This point is located outside the region 27 covered by the hypotenuse surface 26 of the coupling prism 24 on the front surface 28 of the optical body 22.
  • the input beam 14b is again reflected at the point 54b in the direction of the original axis 40, in order then to hit the rear surface 32 of the optical body 22 again in 54c.
  • This back-and-forth reflection of the input beam 14b continues within the optical body 22 until it reaches the area 37 of the rear surface 32 of the optical body 22 covered by the contact surface 36 of the coupling-out prism 34. In this area, the input beam 14b is coupled out of the optical body 22 at position 58 and arrives in the coupling-out prism 34. There it emerges from the exit surface 38 as a partial output beam 18b.
  • the total right-hand region 14b of the input beam 14 seen in the beam direction is “stacked” by the total reflections within the optical body 22, so that it emerges as a partial output beam 18b lying above the partial region 18a Device 16 exits.
  • the wide and flat input beam 14 is transformed by the optical device 16, which comprises the coupling prism 24, the optical body 22 and the coupling prism 34, into a less wide and therefore significantly thicker output beam 18b.
  • the Input beam 14 does not have any discrete partial beams in reality. It is different with output beam 18: this actually consists of a stack of partial output beams 18a, 18b, ....
  • the number and the distance between the partial output beams is set on the one hand by the plate thickness D and by the angles A and B.
  • optical devices 16 are described below. Elements and areas which have functions equivalent to elements and areas of previously described exemplary embodiments have the same reference symbols. They are generally not explained in detail again.
  • the optical body 22 In the optical device 16 shown in FIGS. 5 and 6, the optical body 22, the coupling prism 24 and the coupling prism 34 are formed in one piece as a monolithic unit. A base plate is not present in this embodiment. The in the
  • Figures 5 and 6 shown optical device 16 is made as a plastic injection molded part.
  • the optical device 16 can also perform other functions, for example the
  • a focusing device 62 is attached to the exit surface 38 of the coupling prism 34, which in the exemplary embodiment shown in FIG. 7 is designed as a light concentrator, which is also referred to as a “lens duct”.
  • the radiation is focused by means of several total reflections on its exposed side surfaces.
  • the optical fiber 60 is simply glued to the end of the light concentrator 62.
  • the principle of one Light concentrator is shown in Figure 8.
  • An arrow 63 indicates the beam direction.
  • the dimensions of the light concentrator 62 have to be adapted to the individual requirements of the respective operating case. In most cases, the width of the radiation field will have to be reduced for both spatial directions.
  • the outer surfaces of the light concentrator shown in FIG. 8 are straight. However, they can also be curved.
  • the focusing device 62 is designed as a toric lens, which is created by a correspondingly curved configuration of the exit surface 38 on the coupling-out prism 34. In this way, different focal lengths can be realized for the two spatial directions. Such unequal focal lengths are necessary because the divergences of the output beam 18 can be significantly different in the two spatial directions.
  • the entry surface 30 on the coupling prism 24 is designed as an aspherical lens 66 by the entry surface 30 being convexly curved, as shown in FIG. 10 can be seen.
  • laser diode bars are also stacked as a laser diode stack.
  • five laser diode bars 10a to e are stacked as a laser diode stack 68.
  • five optical devices 16a-16e are therefore stacked one above the other for beam shaping. It can be seen that the height of the optical body 22 in the in the 11 and 12 optical devices 16 is significantly lower than, for example, in the embodiment shown in FIGS. 2 and 3.
  • a square, elongated spacer block 70 is placed on each of the coupling prisms 24, by means of which the individual optical devices 16a to 16e can be stacked precisely and in parallel.
  • the arrangement of FIGS. 11 and 12 divides the radiation field of each laser diode bar 10a to 10e and the individual radiation fields are stacked one on top of the other.

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Abstract

Eine optische Vorrichtung (16) dient zum Aufbereiten eines Laserstrahls. Sie umfasst ein optisches Element (22), in welches mindestens ein Eingangsstrahl eingekoppelt wird und aus dem ein Ausgangsstrahl wieder austritt. Es wird vorgeschlagen, dass das optische Element einen transparenten Körper (22) umfasst, der zwei gegenüberliegende Oberflächen (28, 32) mit einer Mittelebene aufweist, die so ausgerichtet ist, dass sie mit einer ersten zur Längsachse des Eingangsstrahls orthogonalen Raumachse einen ersten Winkel und mit einer zweiten zur Längsachse des Eingangsstrahls und zur ersten Raumachse orthogonalen Raumachse einen zweiten Winkel einschließt, welche jeweils größer Null sind, und dass ein Einkoppelprisma (24) zum Einkoppeln des Eingangsstrahls in den Körper (22) an der einen Oberfläche (28) und ein Auskoppelprisma (34) zum Auskoppeln des Ausgangsstrahls aus dem Körper (22) an der gegenüberliegenden Oberfläche (32) des Körpers (22) angeordnet sind, wobei das Einkoppelprisma (24) und das Auskoppelprisma (34) in Richtung der Längsachse des Eingangsstrahls gesehen unterschiedliche Bereiche auf dem Körper (22) abdecken.

Description

OPTISCHE VORRICHTUNG ZUM AUFBEREITEN EINES STRAHLES, INSBESONDERE EINES LASERSTRAHLES
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum
Aufbereiten eines Strahls mit flachem Querschnitt in einen Strahl mit weniger flachem Querschnitt, insbesondere eines Laserstrahls, mit mindestens einem optischen Element, in welches mindestens ein Teil des Strahls als Eingangsstrahl eingekoppelt wird und aus dem mindestens ein Teil des Strahls als Ausgangsstrahl wieder austritt.
Die Strahlung von Laserdioden ist im Allgemeinen stark astigmatisch. Dies bedeutet, dass die Ausdehnung der Strahlungsquelle und der Abstrahlwinkel des Lichts in den beiden Raumrientringen unterschiedlich ist. Hierdurch ergeben sich im Allgemeinen Strahlquerschnitte, welche eine im Vergleich zur Höhe sehr große Breite aufweisen. Insbesondere die Strahlung von Laserdiodenbarren lässt sich daher nicht direkt in eine Lichtleitfaser einkoppeln. Es wird daher versucht, den Strahl so aufzubereiten, dass sein Querschnitt möglichst symmetrisch ist, indem man die Breite verringert und die Höhe vergrößert. Ideal wäre ein Strahlungsfeld, welches genau so breit wie hoch ist und gleiche Divergenzen in beide Richtungen aufweist. Um dieses Ziel zu erreichen oder iϊtm zumindest nahe zu kommen, werden "Umstapelverfahren" eingesetzt. Bei diesen werden Bereiche des Strahlungsfeldes eines EingangsStrahles so verschoben, dass der Ausgangsstrahl -wenigstens in etwa eine gewünschte Intensitätsverteilung aufweist.
Aus der EP 0 731 932 Bl ist beispielsweise bekannt, zwei Spiegel parallel zueinander und in einem gewissen Abstand voneinander anzuordnen. Die beiden Spiegel sind darüber hinaus zueinander leicht versetzt. Ein kleiner Bereich des Strahlungsfelds wird an den beiden Spiegeln vorbeigeleitet, ohne von diesen reflektiert zu werden. Der größere Teil des Strahlungsfelds wird zwischen den beiden Spiegeln hin- und herreflektiert, bis er in einem bestimmten Bereich aus dem Zwischenraum zwischen den beiden Spiegeln austritt. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist der hohe Fertigungsaufwand für die Spiegel und die Halterung und die hohen Anforderungen an die Justierung.
Aus der EP 0 863 588 Bl ist eine Vorrichtung bekannt, welche einen Plattenfäcrxer verwendet. Hierbei wird der Strahlversatz beim Durcb-gang durch eine Mehrzahl planparalleler Platten genutzt. Der Winkel zwischen Strahlrichtung und Oberf-iäche der Platte innerhalb und außerhalb der Platte hängt vom Brechungsindex des
Plattenmaterials ab. Je höher der Brechungsindex des Materials, desto größer ist die /Abweichung der beiden Winkel. Da die Platte parallele Seitenflächen hat, hat der Strahl nach Durchgang dnrch die Platte keine Richtungsänderung erfahrren, sondern nur eine parallele seitliche Verschiebung. Meist werden zwei um 90 ° zueinander gedrehte Plattenfächer eingesetzt. Auch hier sind die Herstellkosten vergleichsweise hoch und die genaue Justierung der Plattenfscher aufwändig. Bekannt ist ferner aus der DE 199 01 500 AI eine Strahlformungsoptik mit einem optischen Element, welches an seiner Eintrittsseite gegeneinander geneigte Flächen besitzt, die jeweils einer parallelen Fläche an der Austrittsseiten zugeordnet sind. -Das optische Prinzip ist ähnlich zu dem des oben beschriebenen Plattenfächers .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie preiswerter hergestellt und eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorr-ichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass a. das optische Element einen mindestens für die Wellenlängen des Strahls t ansparenten Körper umfasst, b. der zwei gegenüberliegende Oberflächen mit einer Mittelebene aufweist, die so ausgerichtet ist, dass sie mit einer ersten zur Längsachse des Eingangsstrahls orthogonalen Raumachse einen ersten Winkel und mit einer zweiten zur Längsachse des EingangsStrahls und zur ersten Raumachse orthogonalen Raumachse einen zweiten Winkel einschließt, welche jeweils größer Null sind, und c. ein Einkoppelprisma zum Einkoppeln des EingangsStrahls in den Körper an der einen Oberfläche und ein Auskoppelprisma zum Auskoppeln des A sgangsStrahls aus dem Körper an der gegenüberliegenden Oberfläche des Körpers angeordnet sind, d. wobei das Einkoppelprisma und das Auskoppelprisma in Richtung der Längsachse des Eingangsstrahls gesehen unterschiedliche Bereiche auf dem Körper abdecken. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vor-t--ichtung kann sehr preiswert hergestellt werden, da anstelle von Spiegeln oder dünnen und fächerförmigen Platten einfach ein einziger transparenter (beispielsweise glasklarer) Körper verwendet wird, der geometrisch bezüglich der Längsachse des Eingangsstrahles so gekippt und verschwenkt wird, dass in ihn eingekoppelte Lichtstrahlen an den gegenüberliegenden Oberflächen total reflektiert und Bereiche des Strahls "umgestapelt" werden. Zum Einkoppeln und zum Auskoppeln des Lichtstrahls werden entsprechende Prismen verwendet, welche ebenfalls einfach hergestellt werden können. Zur Strahlaufbereitung sind also nur noch höchstens drei Elemente erforderlich, die darüber hinaus geometrisch einfach und relativ zueinander leicht justierbar sind. Die für die Strahlaufbereitung insbesondere bei Laserdioden aufzuwendenden Kosten we-rrden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung also erheblich gesenkt.
Der erfindungsgemäß verwendete physikalische Effekt ist die Totalreflexion innerhalb eines "optisch dichten" Mediums, bei dem Licht, welches sich innerhalb eines Körpers befindet, der einen höhe-ren Brechungsindex als das ihn umgebende Medium (beispielsweise Luft) aufweist, innerhalb bestimmter Grenzwinkel eine Totalreflexion erfährt. Die Verschwenkung und Verkipjpung der Mittelebene des Körpers gegenüber einer zum Eingangsstrahl senkrechten Ebene sowie der Abstand zwischen den beiden gegenüberliegenden Oberflächen bestimmt die Art und den Umfang der Umstapelung.
Dabei ist die Verschwenkiαng der Mittelebene um eine senkrecht zur Ebene des -EingangsStrahls stehende Achse für die Verschiebung von Bereichen des Strahlungsfeldes in Richtung der Ebene des Eixigangsstrahls zuständig ("langsame Achse") , wohingegen für die Erzeugung einer gewissen "Dicke" des Ausgangsstrahls das Verkippen der Mittelebene um eine Achse zuständig ist, die senkrecht zur Längsachse des EingangsStrahles steht und in der Ebene des Eingangsstrahles liegt. D"urch die Positionierung des Einkoppelprismas und des -Auskoppelprismas, in Richtung der Längsachse des Eingangsst-rahls gesehen, in unterschiedlichen Bereichen des optischen Körpers schafft man Bereiche auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Körpers, welche frei -liegen, so dass in diesen Bereichen die erfindungsgemäß gewünschte Totalreflexion der in den Körper eingekoppelten Strahlung erfolgen kann. Dabei versteht sich, dass die unterschiedlichen Bereiche sich auch überlappen können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben-
Eine erste besonders bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die gegenüberliegenden Oberflächen des optischen Körpers wenigstens in etwa planparallel und eben sind. Im Grunde wird hierdurch eine ebene Platte oder ein ebener Vierkant geschaffen, welche besonders einfach herzustellen sind. Darüber: hinaus ist der Verlauf der Strahlung bei planparalle-Len Oberflächen, welche die Totalreflexion der Strahlung verursachen, besonders leicht im Voraus zu bestimmen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Winkel zwischen der Mittelebene und der ersten Raumachse im Bereich von 40° bis 50° und der Winkel zwischen der Mittelebene und der zweiten Raumachse im Bereich von 5° bis 60°, insbesondere im Bereich von 30° bis 40° liegt, wobei die erste Raumachse in der Ebene des Eingangsstrahls liegt. Mit diesen Winkeln können vor allem die Eingangsstrahlen, welche von Laserdiodenbarren erzeugt werden, sehr gut aufbereitet werden, bei gleichzeitig geringen Abmessungen der Vorrichtung und leichter und somit auch preiswerter Herstellbarkeit.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das EinJcoppelprisma im Bereich eines zum Eingangsstrahl hin nächstl iegenden Längsrands des Körpers, und das Auskoppelprisma im Bereich eines vom Eingangsstrahl fern liegenden Seitenrands des Körpers angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird die -Aufbereitung des Lichtstrahles mit der geringst möglichen Anzahl an Totalreflexionen erreicht, was der Strahlqualität zugute kommt.
Die optische Vorrichtung kann dadurch gebildet werden, dass das Einkoppelprisma und/oder das Auskoppelprisma mittels eines optischen Kitts mit dem Körper verbunden sind/ist. In diesem Fall können das Ein-koppelprisma, das Auskoppelprisma und der Körper als separate Elemente hergestellt werden, die in der Art eines Baukastens entsprechend der individuellen Einsatzanforclerungen zusammengebaut werden können. Denkbar ist beispielsweise, unterschiedliche Sätze von Einkoppelprismen, Auskoppelprismen und Körpern zu fertigen, welche dann beliebig miteinander kombiniert werden können. Hierdurch werden bei geringen Kosten optimale Ergebnisse unter ganz unterschiedlichen Einsatzbedingungen erreicht. Als Kitt kommt ein Material in Frage, dessen Brechungsindex möglichst exakt dem des Körpers und der Prismen entspricht, beispielsweise ein UV- härtender Kleber. Alternativ hierzu ist es möglich , das Einkoppelprisma und/oder das Auskoppelprisma einstückig mit dem Körper und vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Körper auszuführen. Die so realisierte Einstückigkeit der optischen Vorrichtung erleichtert die Handhabbarkeit beim Einbau und verringert das Risiko von optischen Verlusten beim Einkoppeln des Strahls in den Körper sowie beim Auskoppeln des Strahls aus dem Körper. Ferner kann auf separate Montageelemente verzichtet werden.
Besonders preiswert kann die erfindungsgemäße optische Vorrichtung dann hergestellt werden, wenn der Körper, das Einkoppelprisma, das Auskoppelprisma oder die mindestens zwei der vorigen Elemente umfassende einstückige Einheit als Spritzgussteil, vorzugsweise aus Kunststoff, hergestellt sind beziehungsweise ist.
Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Kollimierungseinrichtung mit dem Einkoppelprisma und/oder eine Fokussierungseinrichtung mit dem Auskoppelprisma optisch verbunden oder in dieses integriert ist. In diesem Fall übernimmt die optische Vorrichtung nicht nur die "Umstapelung", sondern auch noch die Kollimierung insbesondere der schnellen Achse _. und/oder die Einkopplung des Strahls beispielsweise in eine Lichtleitfaser. Somit kann auf separate Vorrichtungen, welche diese Aufgaben erfüllen, verzichtet werden, was die Fertigungskosten nochmals senkt.
In konkreter Weiterbildung hierzii wird vorgeschlagen, dass die Fokussierungseinrichtung eine torisch gekrümmte Austrittsfläche am Auskoppelprisma umfasst. Hierdurch wird also eine mit dem Auskoppelprisma einstückige torische Linse geschaffen, welche untersdhiedliche Brennweiten für die beiden Raumrichtungen aufweist. Diese ungleichen Brennweiten sind erforderlich, da die Diverrgenzen insbesondere bei Laserstrahlung für die beiden Raumrichtungen deutlich unterschiedlich sind. Eine torisch gekrümmte Austrittsfläche kann am AuskoppeLprisma auf einfache und preiswerte Art und Weise realisiert werden.
Alternativ hierzu ist es möglich, dass die Fokussierungseinrichtung einen mit dem Auskioppelprisma verbundenen Lichtkonzentrator umfasst, der als monolithisches Bauteil ausgeführt ist und d-ie Strahlung durch die Mehrzahl von Totalreflexionen an seinen äußeren Begrenzungsflächen fokussiert. Eine solche auch als "Lens Duct" bezeichnete Fokussierungseinrichtung kann ebenfalls sehr einfach hergestellt werden. Die Dimensionen des Lichtkonzentrators müssen an die Anforderungen, die an die Fokussierung des Lichtstrahls gestellt werden, angepasst werden. Die Breite des Strahlungsfelds wird- dabei in den meisten Fällen für beide Raumrichtungen reduziert werden müssen. Hierzu können die Außenflächen des Lichtkonzentrators, an denen die Totalreflexionen erfolgen, sowohl plan als auch gekrümmt ausgeführt sein. Die Verwendung eines Lichtkonzentrators in der "vorgeschlagenen Art hat den Vorteil, dass bei der Einkopplung des Lichts in eine Lichtleitfaser auf die Justierung der -Faser verzichtet werden kann. Die Faser kann im einfachsten -Fall an das Ende des Lichtkonzentrators aufgeklebt werden. Auch hierdurch werden Kosten bei der Herstellung und bei der Montage der optischen Vorrichtung gespart.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die
Kollimierungseinrichtung eine als konvex ge-krümmte Linse ausgebildete Eintrittsfläche am Einkoppelprisma umfasst. Auch hierdurch wird eine Linse geschaffen, "welche die Strahlung in Richtung der schnellen Achse kollimiert. Eine solche Linse hat einen sehr großen Öffnun-gswinkel, so dass nur eine asphärische Fläche in Frage komitit.
Die Erfindung betrifft auch eine Stahlforrmungseinrichtung für Laserdiodenstacks. Es wird vorgeschlagen, dass sie eine Mehrzahl von optischen Einrichtungen der obigen Art umfasst, welche stapelartig übereinander angeordnet sind. Durch eine solche Strahlformungseinrichtu-ng kann das Strahlungsfeld eines Stapels von Laserdiodenbarren auf einfache Art und Weise aufbereitet werden-.
Zeichnungen
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erffindung unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 einen Laserdiodenbarren mit einer Ist-Strahlform und einer Soll-Strahlform;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung von schräg hinten einer ersten Ausführungs form einer optischen Vorrichtung zur Aufbereitung des Laserstrahls von Figur 1;
Figur 3 eine perspektivische Darstellung der optischen Vorrichtung von Figur 2 von sch-räg vorne;
Figur 4 eine perspektivische Detaildars tellung eines optischen Körpers der optischen Vorrichtung von Figur 2; Figur 5 eine perspektivische Darstellung von schräg vorne einer zweiten Ausführungsform einer optischen Vorrichtung;
Figur 6 eine perspektivische Darstellung von schräg hinten der optischen Vorrichtung von Figur -5;
Figur 7 eine perspektivische Darstellung einer optischen Vorrichtung gemäß Figur 5 mit einem Lichtkonzentrator;
Figur 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips des Lichtkonzentrators von Figur 7;
Figur 9 eine perspektivische Darstellung ähnlich Figur 6 einer dritten Ausführungsform einer optischen Vorrichtung;
Figur 10 eine perspektivische Darstellung eines Bere-iches einer vierten Ausführungsform einer optischen Vorrichtung;
Figur 11 eine perspektivische Darstellung von schräg vorne eines Stapels aus mehreren optischen Vorrichtungen gemäß einer sechsten Ausführungsform;
Figur 12 eine perspektivische Darstellung von schräg hinten des Stapels von Figur 11.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 trägt ein Laserdiodenbarren insgesamt das Bezugszeichen 10. Der von diesem emittierte Laserstrahl wird mit Hilfe einer Zylinderlinse 12 in Richtung der schnellen Achse kollimiert . Es ergibt sich ein Laserstrahl 14, der eine vergleichsweise breite und flache
Querschnittsform beziehungsweise eine stark astigmatische Intensitätsverteilung aufweist. Mittels einer geeigneten Vorrichtung, auf die weiter unten im Detail eingegangen wird und die in Figur 1 nur durch einen Pfeil 16 symbolisiert ist, soll der Laserstrahl 14 symmetrisiert werden. Dies bedeutet, dass der aus der optischen Vorrichtung 16 austretende Ausgangsstrahl 18 weniger breit und weniger flach ist als der Eingangsstrahl 14. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass hier und nachfolgend unter einem "Strahl" auch ein Bündel einzelner Strahlen verstanden werden kann.
Die optische Vorrichtung 16 ist in den Figuren 2 und 3 stärker im Detail dargestellt: Sie umfasst eine Grundplatte 20, deren Ebene in etwa parallel zur Ebene des
EingangsStrahls 14 liegt. Auf der Grundplatte 20 ist ein plattenförmiger optischer Körper 22 montiert. Dieser steht nicht senkrecht auf der Grundplatte 20, sondern ist, in Richtung des EingangsStrahls 14 gesehen, nach hinten gekippt. Zusätzlich ist der optische Körper 22 auch noch um. eine zur Ebene des EingangsStrahls 14 senkrechte Achse verschwenkt, er steht also schräg auf der Grundplatte 20. Die genaue geometrische Ausrichtung des optischen Körpers 22 wird weiter unten beschrieben.
Auf der Grundplatte 20 ist ferner ein Einkoppelprisma 24 montiert, welches in etwa die Grundform eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist und flach auf die Grundplatte 20 aufgelegt ist. Eine Hypotenusenfläche 26 des Einkoppelprismas 24 (Figur 3) ist über einen optischen Kitt (nicht dargestellt) mit der dem Eingangsstrahl 14 zugewandten Oberfläche 28 des optischen Körpers 22 verbunden und deckt dort einen Bereich 27 ab. Das Einkoppelprisma 24 liegt dabei flächig an der vorderen Oberfläche 28 des optischen Körpers 22 an, und zwar im
Bereich von dessen in den Figuren 2 und 3 unteren und zutm Eingangsstrahl 14 hin nächstliegenden Längsrand. Eine Eintrittsfläche 30 des Einkoppelprismas 24, die durch eine Kathetenfläche gebildet wird, steht insgesamt senkrecht zum Eingangsstrahl 14.
An einer rückseitigen Oberfläche 32 des optischen Körpeirs 22 ist ein Auskoppelprisma 34 auf der Grundplatte 20 angeordnet. Dieses ist als 8-eckiger unregelmäßiger Klotz ausgebildet. Die Seiten-, Ober- und Unterflächen des
Auskoppelprismas, welche nicht mit Bezugszeichen versehen sind, sind insgesamt parallel zur Achse des Eingangsstrahls 14 und auch des AusgangsStrahls 18 ausgerichtet. Eine dem optischen Körper 22 zugewandte Kontaktfläche 36 ist in cLen beiden Raumrichtungen schräg beziehungsweise gekippt ausgeführt, derart, dass sie zumindest bereichsweise mittels eines optischen Kitts flächig an der rückseitigen Oberfläche 32 des optischen Körpers 22 anliegt und dort einen Bereich 37 abdeckt. Eine der Kontaktfläche 36 gegenüberliegende Austrittsfläche 38 des Auskoppelprisma_s 34 steht wiederum senkrecht zur Achse des AusgangsstrahL s 18.
Das Einkoppelprisma 24, das Auskoppelprisma 34 sowie der- plattenförmige optische Körper 22 sind jeweils als separate Teile aus Glas hergestellt. Das Einkoppelprisma 24 dient dazu, den Eingangsstrahl 14 in den optischen Körper 22 einzukoppeln. Das Auskoppelprisma 34 hat analog hierzu die Funktion, den Ausgangsstrahl 18 aus dem optischen Körper- 22 auszukoppeln. Die eigentliche Aufbereitung durch Umstapeln der Laserstrahlung erfolgt im optischen Körper 22 durch eine Vielzahl von Totalreflexionen. Dies wird nun unter Bezugnahme auf Figur 4 erläutert :
Vom Eingangsstrahl 14 sind in Figur 4 nur zwei äußere
Bereiche mit den Bezugszeichen 14a und 14b bezeichnet. Eine Längsachse des Eingangsstrahls 14 ist als strichpunktierte Linie angedeutet, die das Bezugszeichen 40 trägt. Die Ebene des Eingangsstrahls 14 ist strichpunktiert gezeichnet und mit 42 bezeichnet. Eine erste zur Längsachse 40 des
EingangsStrahls 14 orthogonale Raumachse X ist mit 44 bezeichnet und liegt in der Ebene 42 des EingangsStrahls . Eine zweite zur Längsachse 40 des EingangsStrahls 14 orthogonal stehende Y-Achse steht senkrecht auf der Ebene 42 des Eingangsstrahls 14 und ist mit 46 bezeichnet.
Zwischen den beiden Oberflächen 28 und 32 des optischen Körpers 22 ist eine in Figur 4 strichpunktiert angedeutete Mittelebene 48 definiert. Diese ist, wie bereits eingangs erwähnt, gegenüber der Y-Achse 46 um einen Winkel A nach hinten gekippt. Sie ist ferner gegenüber der X-Achse 44 um einen Winkel B verschwenkt. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel A ungefähr 35 °, der Winkel B 45 ° . Eine Dicke D des plattenförmigen optischen Körpers 22 ist überall gleich und beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel ungefähr 0,7 mm.
Bei der Strahlaufbereitung innerhalb des optischen Körpers 22 wird von dem Prinzip der Totalreflexion Gebrauch gemacht. Dies bedeutet, dass Licht, welches sich innerhalb des optischen Körpers 22 befindet, dessen Material einen höheren Brechungsindex als das ihn umgebende Medium (im Allgemeinen Luft) aufweist, innerhalb bestimmter Grenzwinkel an den frei liegenden Bereichen der Oberflächen 28 und 32 vollständig reflektiert wird. An den nicht frei liegenden Bereichen der Oberflächen 28 und 32 des optischen Körpers 22, nämlich dem durch die Hypotenusenfläche 26 des Einkoppelprismas 24 abgedeckten Bereich 27 und dem durch die Kontaktfläche 36 des Auskoppelprismas 34 abgedeckten Bereich 37 (vergleiche Figuren 2 und 3) erfolgt dagegen keine Totalreflexion, da Einkoppelprisma 24,
Auskoppelprisma 34 sowie optischer Körper 22 aus dem gleichen Material mit dem gleichen Brechungsindex hergestellt sind.
Zunächst wird der Strahlengang des Teilstrahls 14a des Eingangsstrahls 14 betrachtet: Dieser wird durch das in Figur 4 nicht dargestellte Einkoppelprisma 24 in den optischen Körper 22 eingekoppelt. Im Bereich einer Stelle 50 überdecken sich jedoch die Bereiche 27 und 37. An der rückseitigen Oberfläche 32 des optischen Körpers 22 wird der Eingangsstrahl 14a also nicht reflektiert, sondern sofort wieder über das Auskoppelprisma 34 aus dem optischen Körper 22 ausgekoppelt. Als Teilstrahl 18b tritt er aus dem optischen Körper 22 und schließlich aus dem Auskoppelprisma 34 aus. Dabei hat der Teil-Ausgangsstrahl 18a die gleiche Richtung und Lage wie der Teil-Eingangsstrahl 14a.
Der Teil-Eingangsstrahl 14b wird ebenfalls über das Einkoppelprisma 24 in den optischen Körper 22 eingekoppelt. Dies geschieht jedoch an einer Stelle 52, an der die rückseitige Oberfläche 32 frei liegt. Aufgrund der Schrägstellung des optischen Körpers 22 und somit auch der rückseitigen Oberfläche 32 wird der Teil-Eingangsstrahl 14b an einer Stelle 54a an der freien rückseitigen Oberfläche 32 vollständig reflektiert. Aufgrund der Verschwenkung der Mittelebene 48 und hierdurch auch der beiden Oberflächen 28 und 32 um den Winkel B um die Y-Achse 46 trifft der Eingangsstrahl 14b nicht senkrecht auf die rückseitige Oberfläche 32, sondern schräg, und wird daher zur Seite hin reflektiert. Aufgrund der Verkippung der Mittelebene 48 und hierdurch auch der rückseitigen Oberfläche 32 um den Winkel A um die X-Achse 44 wird der Teil-Eingangsstrahl 14b darüber hinaus gegenüber der Mittelebene 48 an der Reflexionsstelle 54a nach schräg oben reflektiert.
In 54b trifft der Teil-Eingangsstrahl 14b wieder auf die vordere Oberfläche 28 des optischen Körpers 22. Diese Stelle befindet sich außerhalb des von der Hypotenusenfläche 26 des Einkoppelprismas 24 auf der vorderen Oberfläche 28 des optischen Körpers 22 abgedeckten Bereichs 27. Somit wird der Teil-Eingangsstrahl 14b an der Stelle 54b wiederum in Richtung der ursprünglichen Achse 40 reflektiert, um dann in 54c wieder auf die rückseitige Oberfläche 32 des optischen Körpers 22 zu treffen. Diese Hin- und Herreflexion des EingangsStrahls 14b setzt sich innerhalb des optischen Körpers 22 so lange fort, bis dieser in den von der Kontaktfläche 36 des Auskoppelprismas 34 abgedeckten Bereich 37 der rückseitigen Oberfläche 32 des optischen Körpers 22 gelangt. In diesem Bereich wird der Eingangsstrahl 14b an der Position 58 aus dem optischen Körper 22 ausgekoppelt und gelangt in das Auskoppelprisma 34. Dort tritt er aus der Austrittsfläche 38 als Teil- Ausgangsstrahl 18b aus.
Wie aus den Figuren 2 bis 4 ersichtlich ist, wird durch die Totalreflexionen innerhalb des optischen Körpers 22 der in Strahlrichtung gesehen äußerste rechte Bereich 14b des Eingangsstrahls 14 "umgestapelt", so dass er als oberhalb des Teilbereichs 18a liegender Teil-Ausgangsstrahl 18b aus der optischen Vorrichtung 16 austritt. Der breite und flache Eingangsstrahl 14 wird durch die optische Vorrichtung 16, welche das Einkoppelprisma 24, den optischen Körper 22 und das Auskoppelprisma 34 umfasst, in einen weniger breiten und dafür deutlich dickeren Ausgangsstrahl 18b umgeformt. Es versteht sich, dass der Eingangsstrahl 14 in der Realität keine diskreten Teilstrahlen aufweist. Anders beim Ausgangsstrahl 18: Dieser besteht tatsächlich aus einem Stapel von Teil- Ausgangsstrahlen 18a, 18b, ... . Die Anzahl der und der Abstand zwischen den Teil-Ausgangsstrahlen wird zum einen durch die Plattendicke D sowie durch die Winkel A und B eingestellt.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen optischer Vorrichtungen 16 beschrieben. Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen zuvor beschriebener Ausführungsbeispiele aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind im Allgemeinen nicht nochmals im Detail erläutert .
Bei der in den Figuren 5 und 6 gezeigten optischen Vorrichtung 16 sind der optische Körper 22, das Einkoppelprisma 24, sowie das Auskoppelprisma 34 einstückig als monolithische Einheit ausgebildet. Eine Grundplatte ist bei dieser Ausführungsform nicht vorhanden. Die in den
Figuren 5 und 6 gezeigte optische Vorrichtung 16 ist als Kunststoff-Spritzgussteil hergestellt .
Neben dem Umstapeln kann die optische Vorrichtung 16 noch weitere Funktionen übernehmen, beispielsweise die
Einkopplung des AusgangsStrahls in eine Lichtleitfaser 60, entsprechend Figur 7. Hierzu ist an der Austrittsfläche 38 des Auskoppelprismas 34 eine Fokussierungseinrichtung 62 angebracht, die bei dem in Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiel als Lichtkonzentrator ausgebildet ist, der auch als "Lens Duct" bezeichnet wird. In diesem erfolgt die Fokussierung der Strahlung über mehrere Totalreflexionen an dessen frei liegenden Seitenflächen. Die Lichtleitfaser 60 wird einfach an das Ende des Lichtkonzentrators 62 aufgeklebt. Das Prinzip eines solchen Lichtkonzentrators ist in Figur 8 dargestellt. Ein Pfeil 63 bezeichnet die Strahlrichtung. Die Dimensionen des Lichtkonzentrators 62 müssen an die individuellen Anforderungen des jeweiligen Betriebsfalles angepasst werden. Dabei wird die Breite des Strahlungsfelds in den meisten Fällen für beide Raumrichtungen reduziert werden müssen. Die Außenflächen bei dem in Figur 8 gezeigten Lichtkonzentrator sind gerade ausgeführt. Sie können jedoch auch gekrümmt ausgebildet sein.
Bei der in Figur 9 gezeigten Ausführungsform ist die Fokussierungseinrichtung 62 als torische Linse ausgebildet, welche durch eine entsprechend gekrümmte Ausgestaltung der Austrittsfläche 38 am Auskoppelprisma 34 geschaffen wird. Auf diese Weise können unterschiedliche Brennweiten für die beiden Raumrichtungen realisiert werden. Derartige ungleiche Brennweiten sind erforderlich, weil die Divergenzen des Ausgangsstrahls 18 in den beiden Raumrichtungen deutlich unterschiedlich sein können.
Eine weitere Aufgabe, die von der optischen Vorrichtung zusätzlich übernommen werden kann, ist die Kollimierung der schnellen Achse des EingangsStrahls 14. Hierzu wird die Eintrittsfläche 30 am Einkoppelprisma 24 als asphärische Linse 66 ausgeführt, indem die Eintrittsfläche 30 konvex gekrümmt ist, wie aus Figur 10 ersichtlich ist.
Zur Realisierung hoher Leistungsdichten werden Laserdiodenbarren auch als Laserdiodenstack gestapelt. Bei der in den Figuren 11 und 12 gezeigten Ausführungsform sind fünf Laserdiodenbarren 10a bis e als Laserdiodenstack 68 gestapelt. Zur Strahlformung sind bei der in Figur 11 und 12 gezeigten Ausführungsform daher fünf optische Vorrichtungen 16a-16e übereinander gestapelt. Man erkennt, dass die Höhe des optischen Körpers 22 bei den in den Figuren 11 und 12 gezeigten optischen Vorrichtungen 16 deutlich geringer ist als beispielsweise bei der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsform. Auf die Einkoppelprismen 24 ist jeweils ein viereckiger, länglicher Abstandsklotz 70 aufgesetzt, durch den eine achsgenaue und parallele Stapelung der einzelnen optischen Vorrichtungen 16a bis 16e ermöglicht wird. Durch die Anordnung der Figuren 11 und 12 werden das Strahlungsfeld jedes Laserdiodenbarrens 10a bis lOe aufgeteilt und die einzelnen Strahlungsfelder übereinander gestapelt.

Claims

Ansprüche
1. Optische Vorrichtung (16) zum Aufbereiten eines Strahles (14), insbesondere eines Laserstrahls, mit flachem Querschnitt in einen Strahl (18) mit weniger flachem Querschnitt, mit mindestens einem optischen Element (22> , in welches mindestens ein Teil des Strahles als Eingangsstrahl (14) eingekoppelt wird und aus dem mindestens ein Teil des Strahls als Ausgangsstrahl (18) wieder austritt, dadurch gekennzeichnet, dass
a. das optische Element einen mindestens für die Wellenlängen des Strahls (14) transparenten Körper (22) umfasst, b. der zwei gegenüberliegende Oberflächen (28, 32) mit einer Mittelebene (48) aufweist, die so ausgerichtet ist, dass sie mit einer ersten zur Längsachse (40) des Eingangsstrahls (14) orthogonalen Raumachse (44) einen ersten Winkel (B) und mit einer zweiten zur Längsachse (40) des Eingangsstrahls (14) und zur ersten Raumachse (44) orthogonalen Raumachse (46) einen zweiten Winkel- (A) einschließt, welche jeweils größer Null sind, und--
c. ein Einkoppelprisma (24) zum Einkoppeln des Eingangsstrahls (14) in den Körper (22) an der einen Oberfläche (28) und ein Auskoppelprisma (34) zum Auskoppeln des Ausgangsstrahls (18) aus dem Körper (22) an der gegenüberliegenden Oberfläche (32) des Körpers (22) angeordnet sind,
d. wobei das Einkoppelprisma (24) und das Auskoppelprisma (34) in Richtung der Längsachse (40) des Eingangsstrahls (14) gesehen unterschiedliche Bereiche (27, 37) auf dem Körper (22) abdecken.
2. Optische Vorrichtung (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Oberflächen (28, 32) des Körpers (22) wenigstens in etwa planparallel und eben sind.
3. Optische Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (B) zwischen der Mittelebene (40) und der ersten Raumachse (44) im Bereich von 40° bis 50° und der Winkel (A) zwischen der Mittelebene (40) und der zweiten Raumachse (46) im Bereich von 5° bis 60°, insbesondere im Bereich von 30° bis 40° liegt, wobei die erste Raumachse (44) in der Ebene (42) des EingangsStrahls (14) liegt.
4. Optische Vorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelprisma (24) im Bereich eines zum Eingangsstrahl (14) hin nächstliegenden Längsrands des Körpers (22), und das Auskoppelprisma (34) im Bereich eines vom Eingangsstrahl (14) fernliegenden Seitenrands des Körpers (22) angeordnet ist.
5. Optische Vorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelprisma (24) und/oder das Auskoppelprisma (34) mittels eines optischen Kitts mit dem Körper (22) verbunden sind/ist.
6. Optische Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelprisma (24) und/oder das Auskoppelprisma (34) einstückig mit dem Körper (22) und vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Körper (22) ausgeführt sind/ist.
7. Optische Vorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (22) , das Einkoppelprisma (24) , das Auskoppelprisma (34) , oder die mindestens zwei der vorigen Elemente umfassende einstückige Einheit (16) als Spritzgussteil, vorzugsweise aus Kunststoff, hergestellt sind.
8. Optische Vorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollimierungseinrichtung (66) mit dem Einkoppelprisma (24) und/oder eine Fokussierungseinrichtung (62) mit dem Auskoppelprisma (34) optisch verbunden oder in diese integriert ist.
9. Optische Vorrichtung (16) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungseinrichtung (62) eine torisch gekrümmte Austrittsfläche (38) am Auskoppelprisma umfasst.
10. Optische Vorrichtung (16) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungseinrichtung einen mit dem Auskoppelprisma (34) verbundenen Lichtkonzentrator (62) umfasst, der als monolithisches Bauteil ausgeführt ist und die Strahlung (18) durch eine Mehrzahl von Totalreflexionen an seinen äußeren Begrenzungsflächen fokussiert.
11. Optische Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimierungseinrichtung eine als konvex gekrümmte Linse (66) ausgebildete Eintrittsfläche (30) am Einkoppelprisma (24) umfasst.
12. Strahlformungseinrichtung (70) für Laserdiodenstacks (68) , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mehrzahl von optischen Vorrichtungen (16a - 16e) nach einem der
Ansprüche 1 bis 11 umfasst, welche stapelartig übereinander angeordnet sind.
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