DE4214014A1

DE4214014A1 - Anamorphotische anordnung zur einachsigen kompression von kollimiertem laserlicht

Info

Publication number: DE4214014A1
Application number: DE19924214014
Authority: DE
Inventors: Ruediger Kubitzek; Wilbert Windeln
Original assignee: ETA OPTIK GES fur OPTISCHE ME
Current assignee: ETA OPTIK GES fur OPTISCHE ME
Priority date: 1992-04-29
Filing date: 1992-04-29
Publication date: 1992-11-19

Description

Optische Anordnung zur einachsigen Querschnittveränderung von im wesentlichen parallelem Laserlicht (anamorphotische Abbildung), dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl an 2 hintereinanderstehenden Beugungsgittern, die einen Winkel miteinander einschließen, gebeugt wird und die Anordnung in der Nähe der mittleren Wellenlänge des Laserstrahls achromatisch ist.

Beschreibung

Beim Kollimieren des Lichtes, das von Laserdioden emittiert wird, treten u. a. folgende Probleme auf.

i) Die Divergenz des abgestrahlten Lichtes in Richtung senkrecht zum p/n- Übergang (s-Richtung) ist sehr viel größer (typisch ±30°) als in Richtung parallel zum p/n-Übergang (p-Richtung; typisch ±10°)
ii) In s-Richtung liegt der Quellpunkt des Strahls sehr nah an der Chipoberflä che (typisch 1 µm innerhalb des Chips).
In p-Richtung hingegen liegt der Quellpunkt deutlich weiter innerhalb des Chips (typisch 10-40 µm).

Die unterschiedliche Divergenz des Laserstrahls führt bei der Kollimierung mit rotationssymmetrischen Optiken zu einem elliptischen Strahlprofil. Die astig matische Distanz bewirkt, daß der Strahl nur in einer Achse (s- oder p-Rich tung) parallel gerichtet werden kann. In der anderen Richtung erhält man zwangsweise eine divergente oder konvergente Welle.

Die übliche Methode, diese Probleme zu lösen, bestehen in der Verwendung nicht-rotationssymmetrischer optischer Elemente (Zylinderlinsen, Prismen). Übli che Anordnungen beinhalten beispielweise

a) Zylinderlinsen (Kombinationen) zur Astigmatismuskorrektur,
b) Zylinderlinsenkombination zur 1achsigen Kompression des Laserstrahls,
c) Prismenanordnungen zur 1achsigen Kompression des Laserstrahls.

Bei allen Anordnungen sind mehrere zum Teil teure optische Komponenten er forderlich.

Im folgenden wird eine Anordnung beschrieben, bei der die genannten Probleme mit nur 2 preisgünstig herzustellenden holographischen optischen Elementen gelöst werden, die sich an eine übliche rotationssymmetrische Kollimatoroptik anschließen.

Die Strahlformung wird im einfachsten Fall (ohne Astigmatismuskorrektur) durch zwei einfache Beugungsgitter bewerkstelligt. Soll eine zusätzliche Astigmatismus korrektur vorgenommen werden, so kann eines der beiden Gitter als holo graphische Zylinderlinse mit langer Brennweite ausgelegt werden. Im Gegensatz zu den bekannten Methoden, hat diese Anordnung den Vorteil, daß nur 2 Elemente verwendet werden, die preisgünstig mit hoher Präzision hergestellt werden können und die darüber hinaus in der Justage sehr unempfindlich sind.

Die Verwendung von beugenden Optiken für nicht monochromatisches Licht führt i. a. zu starken chromatischen Fehlern (Dipersion). Für die Lösung der oben beschriebenen Probleme wurde jedoch eine Anordnung gefunden, die durch Verwendung von 2 beugenden Elementen, die unter einem bestimmten Winkel zueinander stehen, in einem begrenzten spektralen Bereich achromatisch ist.

Dieser gefundene achromatische Bereich überdeckt den üblichen Variationsbereich handelsüblicher Laserdioden.

Strahlkompression durch 2 Beugungsgitter

In Abb. 1 ist der prinzipielle Strahlengang für den von einer Linse (2) kol limierten Strahl einer Laserdiode (1) angegeben. Der kollimierte Strahl fällt unter einem Winkel Φ₁ zur Flächennormalen auf das 1. Gitter (3) und tritt unter einem Beugungswinkel Φ₂ wieder aus dem 1. Gitter aus. Der Strahl hat dadurch eine einachsige Kompression um den Faktor F₁ = (cos Φ₁)/(Cos Φ₂) erfahren. Stehen die beiden Gitter in einem Winkel R zueinander, so fällt der einmal gebeugte Strahl unter dem Winkel Φ₃=Φ₂-R zur Flächennormalen des 2. Gitter auf das 2. Gitter. Er tritt unter dem Winkel Φ₄ aus dem 2. Gitter aus, wobei er eine weitere Kompression um den Faktor F₂ = (cos Φ₃)/(cos Φ₄) erfährt. Die Kompression beträgt dann insgesamt K=F₁ · F₂. Durch Rotation des Lasers um seine optische Achse kann die Kompression zwischen den beiden Extremen

K=F₁ · F₂ und ¹/K=¹/(F₁ · F₂)

kontinuierlich eingestellt werden. Im allgemeinen ist eine solche Anordnung jedoch nicht achromatisch, d.h. bei einer Wellenlängenänderung des Lasers ändert sich der Winkel Φ₄ des aus der Anordnung austretenden Strahls. In der Praxis würde dies bedeuten, daß der Strahl nicht richtungsstabil ist. Es wurde jedoch eine Bedingung gefunden, unter der in einem begrenzten Spektralbereich nahezu keine Richtungsänderung auftritt.

Diese Bedingung lautet:

g = mittlere Wellenlänge des Lasers
g₁ = Gitterkonstante des 1. Gitters
g₂ = Gitterkonstante des 2. Gitters
R = Winkel zwischen den beiden Gittern
Φ₁ = Winkel des kollimierten Laserstrahls mit der Flächennormalen des 1. Gitters.

Beispiel 1

Das 1. Gitter hat eine Gitterkonstante von g₁≈1,09 µm. Das 2. Gitter hat eine Gitterkonstante von g₂≈0,86 µm. Die mittlere Wellenlänge des Lasers ist λ=670 nm. Die beiden Gitter schließen einen Winkel von R=45° miteinander ein. Der kollimierte Laserstrahl fällt unter dem Winkel Φ₁=0° auf das 1. Gitter und tritt unter dem Winkel Φ₂≈38° wieder aus. Er fällt dann unter dem Winkel Φ₃≈7° auf das 2. Gitter und tritt dann unter dem Winkel Φ₄≈63,81° wieder aus. Die Netto-Ablenkung des Strahls aus seiner ursprünglichen Richtung beträgt ca. α≈18,81°.

Der Strahl wird in dieser Anordnung um den Faktor K≈2,85 komprimiert. Bei Wellenlängenänderungen λ±Δλ=670 nm±10 nm ergeben sich Richtungsän derungen von Δα≈±0,004°, bei Wellenlängenänderungen λ±Δλ=670 nm ±5 nm sogar nur von Δα≈±0,001°.

Die genannte Bedingung ist relativ unkritisch gegenüber kleinen Änderungen der Gitterperiode (Astigmatismuskorrektur). Diese Toleranz ermöglicht die gleichzeiti ge Kompensation des Astigmatismus des Lasers, indem eines oder beide Gitter eine schwache Zylinderlinsenwirkung haben. Die Wellenlängenabhängigkeit der Brennweite der holographischen Zylinderlinse ist in guter Näherung gegeben durch: F₁/F₂=λ₂/λ₁.

Beispiel 2

Ein Kollimator von 4 mm Brennweite erzeugt bei einer astigmatischen Distanz des Lasers von 20 mm in der nicht-parallelen Achse einen Fokus im Abstand von ca. F₁=804 mm. Die holographische Zylinderlinse zur Astigmatismuskorrektur benötigt also eine ebenso große Brennweite, bei der mittleren Wellenlänge λ₁=670 nm des Lasers. Ändert sich diese Wellenlänge beispielsweise um 10 nm, so hat die Zylinderlinse eine Brennweite von ca. F₂=792 mm. Das bedeutet, daß von der holographischen Zylinderlinse ein astigmatischer Brennpunkt in ca. b=54 m Entfernung erzeugt wird. Das liegt innerhalb der beugungsbedingten Divergenz des Laserstrahls aufgrund der begrenzten lateralen Ausdehnung des Laserstrahls am Kollimatorausgang.

Wird die Korrektur des Astigmatismus durch das 2. Gitter vorgenommen, so muß bei diesem der Gesamtbeugungswinkel des Strahls um ca. ±0,1° variieren, was durch eine entsprechende Variation der Gitterkonstante g₂ hervorgerufen wird. Die achromatischen Eigenschaften verschlechtern sich dadurch nur geringfügig. Falls bei der unter Beispiel 1 beschriebenen Anordnung das zweite Gitter als holographische Zylinderlinse ausgelegt wird, so erhält man folgende Resultate: Bei Wellenlängenänderungen λ±Δλ=670 nm±10 nm entstehen Richtungsänderungen Δα≈±0,0047 und bei Wellenlängenänderungen λ±Δλ= 670 nm±5 nm sogar nur von Δα≈0,0014°.

Um Oberflächenreflexe zu minimieren, können die beiden Gitter (oder holographischen Zylinderlinsen) auf einen prismatischen Glaskörper aufgeklebt werden. In diesem Fall ändert sich jedoch durch den Brechungsindex und die Dispersion des Prismas die Bedingung, unter der die Anordnung achromatisch ist.

Claims

1. Optische Anordnung zur einachsigen Querschnittsveränderung von im wesentli chen parallelem Laserlicht (anamorphotische Abbildung), dadurch gekennzeich net, daß der Laserstrahl an 2 hintereinanderstehenden Beugungsgittern, die einen Winkel miteinander einschließen, gebeugt wird und die Anordnung in der Nähe der mittleren Wellenlänge des Laserstrahls achromatisch ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder beide Beugungsgitter eine örtlich variierende Gitterperiode aufweisen, derart, daß sie als holographische Zylinderlinse zur Astigmatismuskorrektur wirken.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Beugungsgitter auf einem prismatischen Glaskörper aufgeklebt sind.