DE60300998T2

DE60300998T2 - Optische Vorrichtung zur Sammlung von Laserbündeln und Lichtquellenvorrichtung

Info

Publication number: DE60300998T2
Application number: DE60300998T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Aichi-gun Aichi-ken Hasegawa; Tadashi Aichi-gun Aichi-ken Ichikawa; Hiroyuki Aichi-gun Aichi-ken Matsubara; Mitsutoshi Aichi-gun Aichi-ken Maeda; Hiroshi Aichi-gun Aichi-ken Ito
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: US6973234B2; JP3932982B2; DE60300998D1; EP1367679B1; EP1367679A3; US20030223685A1; JP2003344721A; EP1367679A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Schaltung zum Kondensieren von Laserstrahlen und eine Lichtquellenvorrichtung, und insbesondere auf eine optische Schaltung zum Kondensieren von Laserstrahlen und eine Lichtquellenvorrichtung, die für den Einsatz in einer Halbleiterlaserstrahlvorrichtung geeignet sind, die eine direkte Diodenlaserstrahlbearbeitung ausführt und eine Pumpquelle eines gepumpten Festkörperlasers pumpt.
Beschreibung des technischen Gebiets
Eine Multiplexerschaltung vom Y-Typ ist konventionell vorgeschlagen worden als eine optische Schaltung zum Kondensieren von Laserstrahlen, die aus einer Lichtquellengruppe emittiert werden.
14 ist eine Draufsicht einer bekannten Multiplexerschaltung des Y-Typs. Viele der in die Multiplexerschaltung des Y-Typs eintretenden Laserstrahlen sind jenseits der kritischen Winkel und werden an den Verbindungsstellen, wo die Schaltung mit den Wellenleitern verbunden ist, aus den Wellenleitern ausgelenkt. Deshalb wird jedes Mal ein Verlust von etwa 2 bis 3 dB verursacht, wenn einfallende Laserstrahlen eine Verbindungsstelle durchlaufen. Aus diesem Grund entsteht das Problem, dass, wenn die Anzahl der Verbindungsstellen der Multiplexerschaltung des Y-Typs vergrößert wird, um eine große Anzahl von Laserstrahlen, die aus einer Lichtquellengruppe emittiert werden, zu kondensieren, das Maß der Ausgangsgröße der Multiplexerschaltung des Y-Typs nicht sehr hoch ist.
Die Japanische Offenlegungsschrift (JP-A) Nr. 5-93828 schlägt eine "Vorrichtung zum Kondensieren von Laserdioden eines Mehrfachemitters zu einer optischen Multi-Mode-Faser" vor (im folgenden "verwandtes Gebiet 1" genannt). Das verwandte Gebiet 1 versucht Laserstrahlen mit einer hohen Dichte dadurch zu kondensieren, dass die Emissionsflächen 12, 14 und 16 einer Laserdiodenleiste 10 jeweils den optischen Fasern 18. 20 und 22 eines optischen Faserbündels 24 entsprechen, wie in 1 des verwandten Gebietes 1 gezeigt.
Da die Laserdiodenleiste 10 eine große Anzahl von Emissionsflächen umfasst, ist es jedoch mühsam, mit jeder von sämtlichen Emissionsflächen eine optische Faser zu verbinden. Ferner ist die Anzahl der optischen Fasern, die mit sämtlichen Emissionsflächen verbunden werden können, begrenzt. Deshalb haben die kondensierten Laserstrahlen eine begrenzte Energiedichte, selbst wenn Laserstrahlen durch Verbinden der optischen Fasern mit den Emissionsflächen kondensiert werden.
Darüber hinaus ist es erwünscht, dass das optische Faserbündel einen kleinen äußeren Durchmesser aufweist, um das das Licht kondensierende System kompakt zu machen. Wenn jedoch der Versuch gemacht wird, Laserstrahlen, die aus vielen Emissionsflächen emittieren zu kondensieren, wird der äußere Durchmesser des optischen Faserbündels 24 groß. Somit wird es in der Praxis schwierig, Laserstrahlen zu kondensieren.
Die JP-A Nr. 7-168040 schlägt eine Vorrichtung zum Kondensieren von Halbleiterlasern vor (im folgenden "verwandtes Gebiet 2" genannt). Das verwandte Gebiet 2 umfasst, wie in dessen 2 gezeigt, Halbleiterlaser (eine Laserleiste) 1b mit einer Vielzahl von gestapelten Lichtquellen, eine optische Verzweigungsvorrichtung 2b, zum Kondensieren von Laserstrahlen, die jeweils von dem Halbleiterlaser 1b in einer Querrichtung emittiert worden sind und eine optische Verzweigungsvorrichtung 2b₂ zum Kondensieren von Laserstrahlen, die aus der optischen Verzweigungsvorrichtung 2b₁ in Längsrichtung ausgetreten sind.
Es ist jedoch bei dem verwandten Gebiet 2 erforderlich, die Laserstrahl emittierenden Positionen der Laserleiste 1b mit den Laserstrahleintrittspositionen der optischen Verzweigungsvorrichtung 2b₁ mit hoher Genauigkeit auszurichten, um die optischen Achsen der Laserstrahlen zu justieren. Darüber hinaus ist es schwierig selbst nach der Justierung der optischen Achse die Positionen der Laserleiste 1b und der optischen Verzweigungsvorrichtungen 2b₁ und 2b₂ aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund wird leicht ein Ausrichtungsfehler der verbindenden Positionen der betreffenden Komponenten verursacht und deshalb ist es schwierig, die Laserstrahlen effizient zu kondensieren.
Die JP-A Nr. 2000-19362 schlägt eine Kondensationsvorrichtung für gruppiert angeordnete Halbleiterlaser vor (im folgenden "verwandtes Gebiet 3" genannt). Die Kondensationsvorrichtung enthält einen Kondensor 10 zum Kondensieren der aus den lichtemittierenden Abschnitten der Halbleiterlasergruppe emittierten Laserstrahlen.
Das verwandte Gebiet 3 ist jedoch mit dem Problem behaftet, dass bei einer Zunahme in der Anzahl der Halbleiterlaser der Kondensor 10 in seiner Längsrichtung (d.h. einer Richtung parallel zu der Richtung in der die Laserstrahlen eintreten) zu lang wird, um praktische Dimensionen zu haben. Um die Länge des Kondensors 10 in Längsrichtung zu verkürzen ist es erforderlich, die Wellenleiter, die innerhalb des Kondensors 10 ausgebildet sind, steil abzubiegen. Es entsteht jedoch ein Problem dadurch, dass ein steiles Abbiegen der Wellenleiter zu einer Zunahme im Strahlungsverlust der Laserstrahlen führt.
Das US-Patent Nr. 5,852,692 beschreibt eine optische Schaltung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist vorgeschlagen worden, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Schaltung zum Kondensieren von Laserstrahlen und eine Lichtquellenvorrichtung verfügbar zu machen, die eine Vielzahl von Laserstrahlen, die aus einer Lichtquellengruppe austreten, bündelt.
Diese Aufgabe wird durch die optische Schaltung nach Anspruch 1 und die Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 8 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Laserstrahlen mittels Kollimieren oder im wesentlichen Kollimieren der Laserstrahlen im Kollimationsabschnitt durch Verringern der Ausbreitungswinkel der Laserstrahlen und darauf folgendes Bündeln der kollimierten Laserstrahlen mit hoher Effizienz kondensiert werden.
Ferner werden, da der Kollimationsabschnitt einen sich erweiternden konischen Teil enthält, die Ausbreitungswinkel der Laserstrahlen, die in den sich erweiternden konischen Teil eingetreten sind, nach wiederholten Reflexionen kleiner, wodurch die Laserstrahlen kollimiert oder im wesentlichen kollimiert werden.
Somit können die Laserstrahlen erfindungsgemäß mit hoher Effizienz gebündelt werden, da der sich erweiternde konische Teil jedes der Eintrittsteile der Strahlführung veranlasst, dass die Laserstrahlen mit kleinen Ausbreitungswinkeln in den sich verengenden konischen Teil eintreten. Eine Kombination eines geradlinigen Strahlführungsabschnittes, eines gekrümmten Strahlführungsabschnittes und eines sich verengenden konischen Abschnittes oder eines Strahlführungsabschnittes, der gebildet ist durch Verbinden eines sich verengenden konischen Abschnittes und eines geradlinigen Strahlführungsabschnittes können an der Seite des Auslassendes des sich erweiternden konischen Teils vorgesehen werden.
Die in Anspruch 8 angegebene Lichtquellengruppierung ist nicht speziell auf eine Halbleiterlaser-Gruppierung begrenzt, solange sie so ausgebildet ist, dass sie beispielsweise einen Divergenzwinkel steuert. In der Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 8 emittiert die Lichtquellengruppe Laserstrahlen aus einer Vielzahl lichtemittierender Teile so, dass die emittierten Laserstrahlen in die Eintrittstellen der optischen Schaltung zum Kondensieren der Laserstrahlen eintreten. Die optische Schaltung zum Kondensieren der Laserstrahlen bündelt die aus der Lichtquellengruppe emittierten Laserstrahlen und gibt die Laserstrahlen über die Austrittsstelle aus. Die aus den entsprechenden optischen Schaltungen zum Kondensieren der Laserstrahlen austretenden Laserstrahlen breiten sich über die optischen Fasern weiter aus und werden durch die Kondensorlinse kondensiert.
Somit verringert die optische Schaltung zum Kondensieren von Laserstrahlen nach der Erfindung die Ausbreitungswinkel der von der Lichtquellengruppe emittierten Laserstrahlen, bündelt die Laserstrahlen und gibt die gebündelten Laserstrahlen über die optischen Fasern und die Kondensorlinse nach außen. Demzufolge können helle, mit hoher Effizienz kondensierte Laserstrahlen nach außen gegeben werden.
In der vorliegenden Erfindung kann der strahlführende Teil durch einen optischen Wellenleiter oder ein anderes optisches System oder eine optische Übertragungsleitung, wie eine optische Faser, gebildet sein.
Wenn der strahlführende Teil durch einen optischen Wellenleiter gebildet ist, ist der sich verengende konische Bereich vorzugsweise so ausgebildet, dass dessen Breite in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen abnimmt. Als Folge hiervon nimmt der strahlführende Bereich des sich verengenden konischen Teils ab. Im Falle des sich erweiternden konischen Teils nimmt dessen strahl führender Bereich zu durch Zunahme in der Breite einer Wellenführung in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer Lichtquellenvorrichtung für einen Halbleiterlaser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Halbleiterlasergruppe, einer Stablinse und einer optischen Wellenleitervorrichtung, die auf einem Siliziumsubstrat angeordnet sind.
3A ist eine Draufsicht der Halbleiterlasergruppe, der Stablinse und der optischen Wellenleitervorrichtung.
3B ist eine Querschnittsansicht der Halbleiterlasergruppe, der Stablinse und der optischen Wellenleitervorrichtung.
4 ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer an der optischen Wellenleitervorrichtung gebildeten optischen Wellenführung zeigt.
5 ist eine Draufsicht, die speziell den Aufbau des Einlassbereiches eines geführten Strahls der optischen Wellenführung zeigt.
6 ist eine Draufsicht, die speziell den Aufbau des Auslassbereiches eines geführten Strahls der optischen Wellenführung zeigt.
7 ist eine Ansicht, die Messergebnisse des Wirkungsgrades der Kondensierung bezüglich einer Breite W5 des Endes eines sich verengenden konischen Bereiches zeigt.
8 ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer weiteren optischen Wellenführung zeigt, die an der optischen Wellenleitervorrichtung ausgebildet ist.
9 ist eine Draufsicht, die speziell den Aufbau des Einfallbereiches eines geführten Strahls einer weiteren optischen Wellenführung zeigt.
10 ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer weiteren optischen Wellenführung zeigt, die an der optischen Wellenleitervorrichtung ausgebildet ist.
11 ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer weiteren optischen Wellenführung zeigt, die an der optischen Wellenleitervorrichtung ausgebildet ist.
12 ist eine Draufsicht, die speziell den Aufbau des Einlassbereiches eines geführten Strahls einer weiteren optischen Wellenführung zeigt.
13 ist eine Draufsicht, die den Aufbau des Einfallbereiches eines geführten Strahls zeigt.
14 ist eine Draufsicht einer konventionellen Multiplexerschaltung vom Y-Typ.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Nachfolgenden werden anhand der Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer Lichtquellenvorrichtung 1 für einen Halbleiterlaser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Lichtquellenvorrichtung 1 für einen Halbleiterlaser enthält Halbleiterlaser-Arrays 20, eine Stablinse 30, eine Vielzahl optischer Wellenführungsvorrichtungen 40, eine Vielzahl optischer Fasern 70 und eine Kondensorlinse 80. Die Halbleiterlaser-Arrays 20 sind auf einem Siliziumsubstrat 10 angeordnet und emittieren jeweils eine Vielzahl von Laserstrahlen. Die Stablinse 30 kondensiert die von den Halbleiterlaser-Arrays 20 emittierten Laserstrahlen in Richtung einer schnellen Achse. Die optischen Wellenführungsvorrichtungen 40 multiplexen (Bündeln) die Laserstrahlen aus der Stablinse 30. Die optischen Fasern 70 leiten die an den optischen Wellenführungsvorrichtungen 40 gebündelten Laserstrahlen. Die Kondensorlinse 80 kondensiert die aus den optischen Fasern 70 austretenden Laserstrahlen und stellt einen Brennpunkt ein.
Das Siliziumsubstrat 10 wird mittels eines Mikroherstellungsprozesses genau in Plattenform ausgebildet. Das Siliziumsubstrat 10 regelt genau die Höhen der Halbleiterlaser-Arrays 20 und der optischen Wellenleitervorrichtungen 40, die auf einer Hauptfläche 11 angeordnet sind.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Halbleiterlaser-Arrays 20, der Stablinse 30 und der optischen Wellenführungsvorrichtung 40, die auf dem Siliziumsubstrat 10 angeordnet sind.
An der Hauptfläche 11 des Siliziumsubstrats 10 ist zwischen dem Halbleiter-Array 20 und der optischen Wellenführungsvorrichtung 40 eine Nut 12 längs einer Richtung ausgebildet, in der die Laserquellen des Halbleiterlaser-Arrays 20 angeordnet sind. Die Nut 12 weist eine Breite auf, die kleiner als der Durchmesser der Stablinse 30 ist. Die Stablinse 30 ist auf der Nut 12 so angeordnet, dass die Position der Stablinse 30 festgelegt ist.
Das Siliziumsubstrat 10 ist vorzugsweise Wärme leitend. Wie in 1 dargestellt, wird das Siliziumsubstrat 10 direkt durch ein plattenförmiges Kühlsubstrat 13 gekühlt. Das Kühlsubstrat 13 enthält nicht dargestellte Kanäle zum Hindurchführen eines Kühlmittels. Ein Kühlmittelbeschicker 14 speist über eine Kühlmittelleitung 15 und einen Kühlmitteleintritts-/austritts-Anschluss 16 Kühlmittel in das Kühlsubstrat 13 ein. Der Kühlmittelbeschicker 14 erhält genutztes Kühlmittel über einen Austritts-Anschluss 17 und eine Kühlmittelleitung 18 zurück und speist das Kühlmittel erneut in das Kühlsubstrat 13 ein. Auf diese Weise kann das Kühlsubstrat 13 stets das Siliziumsubstrat 10 kühlen. Obgleich das hier benutzte Kühlsubstrat 13 als wassergekühlter Typ ausgebildet ist, welches Wasser als Kühlmittel benutzt, um das Siliziumsubstrat 10 zu kühlen, kann das Kühlsubstrat 13 auch als luftgekühlter Typ ausgebildet sein, welcher Kühlrippen benutzt, um das Siliziumsubstrat 10 zu kühlen.
Die Halbleiterlaser-Arrays 20 sind auf dem Siliziumsubstrat 10 in vorbestimmten Abständen längs der gleichen Richtung angeordnet wie die Laserquellen der Halbleiterlaser-Arrays 20. Jedes der Halbleiter-Arrays 20 wird über eine Energieversorgung 21 elektrisch betrieben und emittiert Laserstrahlen aus einer Vielzahl von Laserstrahl emittierenden Teilen in derselben Richtung. Die Divergenzwinkel der Laserstrahlen liegen bei θ⊥ bis 40° in Richtung der schnellen Achse und θ// bis 10° in Richtung der langsamen Achse, welches übliche Charakteristika sind.
Wie in 2 gezeigt, ist die Position der Stablinse 30 durch die am Siliziumsubstrat 10 ausgebildete Nut 12 vorgegeben. Die Stablinse 30 konvergiert die aus den Halbleiterlaser-Arrays 20 emittierten Laserstrahlen in Richtung der schnellen Achse und veranlasst, dass die Laserstrahlen in die optischen Wellenführungsvorrichtungen 40 eintreten.
Hinsichtlich der Richtung der schnellen Achse werden die von dem Halbleiterlaser-Array 20 emittierten Laserstrahlen durch die Stablinse 30 konvergiert und an der optischen Wellenführungsvorrichtung 40 mit hoher Effizienz leicht kondensiert. Hinsichtlich der Richtung der langsamen Achse werden die Laserstrahlen ohne Verwendung einer Linse mit hoher Effizienz dadurch kondensiert, dass der Abstand zwischen dem Halbleiterlaser-Array 20 und der optischen Wellenführungsvorrichtung 40 unter Berücksichtigung des Divergenzwinkels in Richtung der langsamen Achse verkürzt wird. Durch Beschichten der Stablinse 30 und einer Fläche eines Einfallendes der optischen Wellenführungsvorrichtung 40 mit einem antireflektierenden Material, wie einem dielektrischen Mehrschichtfilm, kann ein Kondensationswirkungsgrad von 95% oder mehr erreicht werden.
3A ist eine Draufsicht des Halbleiterlaser-Arrays 20, der Stablinse 30 und der optischen Wellenführungsvorrichtung und 3B ist eine Querschnittsansicht hiervon.
Die optische Wellenführungsvorrichtung 40 enthält SiO₂ als Hüllmaterial und SiO₂ mit hinzugefügtem GeO₂ als Kernmaterial. Die optische Wellenführungsvorrichtung 40 weist bei der vorliegenden Ausführungsform einen Stufen-Index-Aufbau auf. Die optische Wellenführungsvorrichtung 40 wird durch ein optisches Wellenführungssubstrat 41 gebildet, das in einer flachen Plattenform und einer optischen Wellenführung 42 ausgebildet ist.
4 ist eine Draufsicht, die den Aufbau der an der optischen Wellenführungsvorrichtung 40 ausgebildeten optischen Wellenführung 42 zeigt. Die optische Wellenführung 42 wird durch eine Anzahl N von Eintrittsteilen 50 der Strahlführung und einen Austrittsteil 60 der Strahlführung gebildet.
Es wird angenommen, dass im Austrittsteil 60 der Strahlführung der Punkt, wo die Laserstrahlen kondensiert werden, der Kondensationspunkt P ist und sich vom Kondensationspunkt P eine gerade Linie Lp (p = 1, 2, ..., N) zum zentralen Teil des Endes des jeweiligen Eintrittsteiles 50 der Strahlführung erstreckt, das auf der Seite des Austrittsteiles der Strahlführung liegt. Ferner wird angenommen, dass durch die gerade Linie Lp und eine gerade Linie L, die die Symmetrieachse des Austrittsteils 60 der Strahlführung darstellt, ein Winkel θp gebildet wird.
5 ist eine Draufsicht, die speziell den Aufbau des Eintrittsteiles 50 der Strahlführung zeigt. Die Eintrittsteile 50 der Strahlführung sind so angeordnet, dass sie, bezogen auf die in 4 gezeigte gerade Linie L, symmetrisch sind. Der Eintrittsteil 50 der Strahlführung bildet ein Bündel von parallelen oder im wesentlichen parallelen Laserstrahlen durch Verringern der Ausbreitungswinkel der Laserstrahlen. Der Eintrittsteil 50 der Strahlführung enthält einen geraden Eintrittsbereich 51, wo die Laserstrahlen eintreten, einen abgebogenen Bereich 52, der die vom geraden Eintrittsbereich 51 eintretenden Laserstrahlen in eine vorbestimmte Richtung ablenkt und einen sich erweiternden konischen Bereich 53, der die Laserstrahlen kollimiert, die den abgebogenen Bereich 52 durchlaufen haben.
Der gerade Eintrittsbereich 51 ist so ausgebildet, dass er jeweils mit den Austrittsteilen des Laserstrahls vom Halbleiterlaser-Array 20 korrespondiert. Ein Ende des geraden Eintrittsbereiches 51 ist eine Eintrittsöffnung 51a, an der die von dem Halbleiter-Array 20 emittierten Laserstrahlen eintreten.
Die Anzahl der vorgesehenen Eintrittsöffnungen 51a ist die gleiche, wie die Anzahl der Laserstrahl emittierenden Teile des Halbleiterlaser-Arrays 20. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Anzahl N (= 1, 2, ..., N) von Eintrittsöffnungen 51a vorhanden. Die N geraden Eintrittsbereiche 51 sind so ausgebildet, dass sie zueinander parallel sind. Das andere Ende des geraden Eintrittsbereiches 51 ist mit dem abgebogenen Bereich 52 verbunden.
Der abgebogene Bereich 52 ist zwischen dem geraden Eintrittsbereich 51 und dem sich erweiternden konischen Bereich 53 gebildet. Der abgebogene Bereich 52 ist eine abgebogene Wellenführung mit im wesentlichen gleichmäßiger Breite W1. Der abgebogene Bereich 52 dient dazu, die Laserstrahlen, die aus dem geraden Eintrittsbereich 51 eingetreten sind, zum Kondensationspunkt P zu leiten. Demgemäß weist der abgebogene Bereich 52 einen geraden Teil auf, der sich auf der Symmetrieachse des Eintrittsteils 50 der Strahlführung befindet, und einen abgebogenen Teil, wobei der Winkel der Abbiegung desselben mit zunehmender Distanz von der Symmetrieachse zunimmt.
Der sich erweiternde konische Bereich 53 ist ein Wellenleiter mit einer Breite, die um einen konstanten Betrag längs der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen, von W1 zu W2, zunimmt. Deshalb kollimiert der sich erweiternde konische Bereich 53 die Laserstrahlen durch allmähliches Verringern des Ausbreitungswinkels θ der Laserstrahlen, die aus dem abgebogenen Bereich 52 eingetreten sind (d.h. des Winkels, der zwischen der Ausbreitungsrichtung und einer Richtung gebildet wird, in der die Laserstrahlen tatsächlich vorrücken). Im folgenden wird angenommen, dass der Divergenzwinkel, der sich vom Ausbreitungswinkel θ der Laserstrahlen am Ende des sich erweiternden konischen Bereiches 53 aus erstreckt, ein Winkel θa ist.
6 ist eine Draufsicht, die speziell den Aufbau des Austrittsteiles 60 der Strahlführung zeigt. Der Austrittsteil 60 der Strahlführung umfasst einen sich verengenden konischen Bereich 61, der die Laserstrahlen kondensiert, welche aus den betreffenden sich erweiternden konischen Bereichen 53 eintreten, sowie einen geradlinigen Austrittsbereich 62, durch den die kondensierten Laserstrahlen nach außen ausgegeben werden.
Der sich verengende konische Bereich 61 ist eine Wellenleitung mit einem fächerförmigen Plattenbereich 61a. Der Plattenbereich 61a ist so ausgebildet, dass seine Breite von W4 bis W5 mit einem konstanten Maß längs der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen abnimmt. Ein bogenförmiger Abschnitt des sich verengenden konischen Bereiches 61 ist ein Teil, wo die Laserstrahlen eintreten und ist mit der Anzahl N der sich erweiternden konischen Bereiche 53 verbunden. Ein Umfangswinkelabschnitt des sich verengenden konischen Bereiches 61 ist ein Teil, wo die Laserstrahlen kondensiert und ausgegeben werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Umfangswinkelabschnitt mit dem geradlinigen Eintrittsbereich 62 verbunden.
Wie in 6 gezeigt, kondensiert der sich verengende konische Bereich 61 die Laserstrahlen, die aus den betreffenden sich erweiternden konischen Bereichen 53 eingetreten sind und gibt die Laserstrahlen über den geradlinigen Austrittsbereich 62 aus. Die Laserstrahlen, die in den sich verengenden konischen Bereich 61 aus den sich erweiternden konischen Bereichen 53 eingetreten sind, werden nach wiederholten inneren Reflexionen im Plattenbereich 61a unabhängig von der Größe des Divergenzwinkels θa kondensiert. Die Kondensationseffizienz (der Kondensationswirkungsgrad) wird nachfolgend beschrieben.
Der geradlinige Austrittsbereich 62 ist ein Wellenleiter mit einer gleichmäßigen Breite von W5. Ein Ende des geradlinigen Austrittsbereiches 62 ist mit dem Kondensationspunkt P verbunden und das andere Ende ist eine Austrittsöffnung 62a, durch die die Laserstrahlen austreten.
7 ist eine Ansicht, die die Messergebnisse des Kondensationswirkungsgrades abhängig von der Breite W5 des sich verengenden konischen Bereiches 61 zeigt. Obwohl der Kondensationswirkungsgrad entsprechend den Divergenzwinkeln der Laserstrahlen, der Fokuslänge und Anordnung der Stablinse 30, der Brechungsindizes des Kernbereiches und des Überzugbereiches oder dergleichen variieren kann, wird im allgemeinen der in 7 dargestellte Kondensationswirkungsgrad erhalten. Aus praktischen Gründen wird vorzugsweise, die Breite W5 des Endes des sich verengenden konischen Bereiches 61 so eingestellt, dass der Kondensationswirkungsgrad ausreichend groß wird.
Gemäß 7 wird der Kondensationswirkungsgrad umso größer, je größer die Breite W5 des Endes des sich verengenden konischen Bereiches 61 wird. Wenn die Breite W5 dreimal so groß wie die Breite W1 ist, wird der Kondensationswirkungsgrad etwa 1,0 und erreicht die Sättigung.
Zufriedenstellende Wirkungen können erhalten werden, wenn der Divergenzwinkel θa, der sich vom Ausbreitungswinkel θ des Laserstrahls an einem Ende (dem Austrittsende) Z des sich erweiternden konischen Bereiches 53 aus erstreckt, der Beziehung genügt: |θa| < |θp|max < θcr(p = 1, ..., N).
In der Beziehung bedeutet |θp|max den maximalen Wert von θp (p = 1), ..., N), und θcr den kritischen Winkel, der bestimmt ist durch die Konfiguration und die Brechungsindexcharakteristik des sich verengenden konischen Bereiches 61. Obwohl die obige Beziehung vorzugsweise für alle Werte von p = 1, ..., N erfüllt werden sollte, wird keine wesentliche Auswirkung verursacht, wenn die obige Beziehung nicht für einige Winkel (beispielsweise einen oder zwei) aus p = 1, ..., N erfüllt wird. Da die Laserstrahlen, die in die Anzahl N von Eintrittsöffnungen 51a eintreten, diese Charakteristik eins um eins verlieren, nimmt der Kondensationswirkungsgrad langsam ab.
Die optische Wellenleitervorrichtung 40 mit dem beschriebenen Aufbau kann die Laserstrahlen mit hoher Effizienz kondensieren durch Verringern der Ausbreitungswinkel θ der Laserstrahlen an dem sich erweiternden konischen Bereich 53, so dass die Laserstrahlen kollimiert werden und durch Multiplexen (Bündeln) der Laserstrahlen in dem sich verengenden konischen Bereich 61.
Die Anzahl der vorgesehenen optischen Fasern 70 ist die gleiche wie die Anzahl der geraden Austrittsbereiche 62 der optischen Wellenleitervorrichtung 40. Wie in 1 gezeigt, wird ein Laserstrahl-Eintrittsende jeder der optischen Fasern 70 durch ein Halteglied 71 der optischen Faser fixiert.
Das Halteglied 71 für die optische Fasern ist auf der Hauptfläche 11 des Siliziumsubtrats 10 an der Seite der Austrittsöffnung des geraden Austrittsbereiches 62 der optischen Wellenleitervorrichtung 40 vorgesehen. Eine V-förmige Nut 72 ist in dem Halteglied 71 für die optische Fasern längs der optischen Achse der aus der Austrittsöffnung austretenden Laserstrahlen ausgebildet. Eine dreidimensionale Ausrichtung der optischen Achsen zwischen der optischen Wellenleitervorrichtung 40 und der optischen Faser 70 wird unnötig durch die Ausrichtung eines Endes der optischen Faser 70 an der Laserstrahl-Eintrittsseite mit der V-förmigen Nut 72.
Wie in 1 gezeigt, ist das Laserstrahl-Austrittsende der optischen Faser 70 in ein Faserbündel 73 eingebunden. Die aus den optischen Fasern 70 austretenden Laserstrahlen werden durch die Kondensor-Linse 80 so kondensiert, dass sie auf ein Werkstück oder ein Objekt gestrahlt werden, das durch den Laser kristallisiert werden soll.
Wie oben beschrieben, kann die Lichtquellenvorrichtung 1 für einen Halbleiterlaser gemäß der vorliegenden Ausführungsform Laserstrahlen mit hohem Wirkungsgrad kondensieren, die aus dem Halbleiterlaser-Array 20 emittiert worden sind, indem die Ausbreitungswinkel θ der Laserstrahlen durch die optische Wellenleitervorrichtung 40 verringert werden, um im wesentlichen parallele Laserstrahlen zu bilden und dann die Laserstrahlen gebündelt werden.
Da ferner das Halbleiterlaser-Array 20 durch einen Mikroherstellungsprozess, wie er zur Herstellung von Halbleiterelementen benutzt wird, sehr genau hergestellt wird, kann das Halbleiterlaser-Array 20 leicht mit den Eintrittsöffnungen 51a der optischen Wellenleitervorrichtung 40 verbunden werden, die durch einen ähnlichen Mikroherstellungsprozess hergestellt worden ist. Deshalb ermöglicht die Lichtquellenvorrichtung 1 für einen Halbleiterlaser eine sehr genaue Positionseinstellung durch Verwendung passiver Ausrichtung und kann Laserstrahlen mit hohem Wirkungsgrad kondensieren.
Weitere Ausführungsformen der optischen Wellenleitervorrichtung 40
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Modifikationen der Ausgestaltung möglich. In der folgenden Beschreibung sind Komponenten, die ähnlich jenen der obigen Ausführungsform sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und es wird auf eine detaillierte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet.
8 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines weiteren optischen Wellenleiters 42A zeigt, der an der optischen Wellenleitervorrichtung 40 ausgebildet ist. Der optische Wellenleiter 42A ist durch eine Anzahl N von Eintrittsteilen 50A der Strahlführung und dem Austrittsteil 60 der Strahlführung gebildet.
9 ist eine Draufsicht, die speziell den Aufbau des Eintrittsteiles 50A der Strahlführung zeigt. Der Eintrittsteil 50A der Strahlführung enthält den geradlinigen Eintrittsbereich 51, wo die Laserstrahlen eintreten, den sich erweiternden konischen Bereich 53, der die Laserstrahlen kollimiert, welche durch den geradlinigen Eintrittsbereich 51 hindurchgelaufen sind, und einen abge bogenen Bereich 54, der die Laserstrahlen, die aus dem sich erweiternden konischen Bereich 53 eintreten, in eine vorbestimmte Richtung ablenkt.
Der Eintrittsteil 50A für den geführten Strahl ist durch Vertauschen der Positionen von abgebogenem Bereich 52 und sich erweiterndem konischen Bereich 53 von 5 gebildet. Darüber hinaus dient der abgebogene Bereich 54 dazu, die Laserstrahlen, die in dem sich erweiternden konischen Bereich 53 kollimiert worden sind, zum Kondensationspunkt P zu leiten. Der abgebogene Bereich 54 weist einen geraden Teil auf, der sich auf einer Symmetrieachse des Eintrittsabschnittes 50A der Strahlführung befindet und einen abgebogenen Teil, wobei der Winkel der Abbiegung des abgebogenen Teils mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse zunimmt.
Die optische Wellenleitervorrichtung 40 mit dem obigen Aufbau verringert die Verteilung der Divergenzwinkel der Laserstrahlen in dem abgebogenen Bereich 54 und bündelt dann die Laserstrahlen in dem sich verengenden konischen Bereich 61. Deshalb kann die optische Wellenleitervorrichtung 40 Laserstrahlen mit hohem Wirkungsgrad kondensieren.
10 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines weiteren optischen Wellenleiters 42B zeigt, der an der optischen Wellenleitervorrichtung 40 ausgebildet ist. Der optische Wellenleiter 42B wird geeignet bei dem Halbleiterlaser-Array 20 eingesetzt, der Laserstrahlen mit kleinen Divergenzwinkeln θ// in Richtung einer langsamen Achse emittiert. Der optische Wellenleiter 42B wird durch eine Anzahl N von Eintrittsteilen 50B der Strahlführung und einem Austrittsteil 60 der Strahlführung gebildet.
Der Eintrittsteil 50B der Strahlführung enthält den geraden Eintrittsbereich 51, wo die Laserstrahlen eintreten und den abgebogenen Bereich 52, der die aus dem geradlinigen Eintrittsbereich 51 eintretenden Laserstrahlen in eine vorbestimmte Richtung ablenkt. Der Eintrittsteil 50B der Strahlführung hat nämlich den in 5 gezeigten Aufbau, wobei der sich erweiternde abgebogene Bereich 53 ausgeschlossen ist.
Wenn die Divergenzwinkel θ// der Laserstrahlen in Richtung der langsamen Achse klein sind, kann die optische Wellenleitervorrichtung 40, die keinen sich erweiternden konischen Bereich 53 aufweist, die Laserstrahlen mit gleich hohem Wirkungsgrad kondensieren, wie bei den obigen Ausführungsformen, indem im abgebogenen Bereich 52 die Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen zum Kondensationspunkt P abgeändert wird.
11 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines weiteren optischen Wellenleiters 42C zeigt, der an der optischen Wellenleitervorrichtung 40 ausgebildet ist. Der optische Wellenleiter 42C wird zweckmäßiger Weise benutzt, wenn die Eintrittswinkel der Laserstrahlen im geradlinigen Eintrittsbereich größer als die Divergenzwinkel der von dem Halbleiterlaser-Array 20 emittierten Laserstrahlen sind. Der optische Wellenleiter 42C wird durch eine Anzahl N von Eintrittsteilen 50C der Strahlführung und dem Austrittsteil 60 der Strahlführung gebildet.
12 ist eine Draufsicht, die speziell den Aufbau des Eintrittsteiles 50C der Strahlführung zeigt. Der Eintrittsteil 50C der Strahlführung enthält einen geradlinigen Eintrittsbereich 51, wo die Laserstrahlen eintreten; einen sich verengenden konischen Eintrittsbereich 55, der die vom geradlinigen Eintrittsbereich 51 eintretenden Laserstrahlen einengt; einen abgebogenen Bereich 56, der die Laserstrahlen, die den sich verengenden konischen Eintrittsbereich 55 durchlaufen haben zum Kondensationspunkt P leitet; einen sich erweiternden konischen Bereich 57, der die Laserstrahlen kollimiert, welche den abgebogenen Bereich 56 durchlaufen haben und einen geradlinigen Zwischenbereich 58, der die Laserstrahlen, welche aus dem sich erweiternden konischen Bereich 57 eingetreten sind, zum Austrittsteil 60 der Strahlführung mit festen Ausbreitungswinkeln leitet. Der abgebogene Bereich 56 weist einen geradlinigen Teil auf, der sich auf einer Symmetrieachse des Eintrittsteiles 50C der Strahlführung befindet, sowie einen abgebogenen Teil, dessen Abbiegungswinkel mit Zunahme des Abstandes von der Symmetrieachse zunimmt.
Die optische Wellenleitervorrichtung 40 mit dem obigen Aufbau kann Laserstrahlen wirksamer bündeln, weil die Vorrichtung die eintretenden Laserstrahlen in dem sich verengenden konischen Eintrittsbereich 55 einengt und die Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen im benachbarten abgebogenen Bereich 56 zum Kondensationspunkt P hin abändert. Ein Eintrittsteil 50D der Strahlführung, der nachfolgend beschrieben wird, kann anstelle des Eintrittsteiles 50C der Strahlführung benutzt werden.
13 ist eine Draufsicht, die den Aufbau des Eintrittsteiles 50D der Strahlführung zeigt. Der Eintrittsteil 50D der Strahlführung weist denselben Aufbau wie der Eintrittsteil 50C der Strahlführung auf, mit der Ausnahme, dass der Eintrittsteil 50D der Strahlführung keinen abgebogenen Bereich 56 besitzt. Der Eintrittsteil 50D der Strahlführung ist leicht abgebogen, da die Verbindungsstelle zwischen dem sich verengenden konischen Eintrittsbereich 55 und dem sich erweiternden konischen Bereichs 57 dünn ist. Die Verbindungsstelle des sich verengenden konischen Eintrittsbereiches 55 und des sich erweiternden konischen Bereiches 57 ist so abgebogen, dass der sich erweiternde konische Bereich 57 zum Kondensationspunkt P hin ausgerichtet ist. Mit diesem Aufbau kann der Eintrittsteil 50D der Strahlführung die Diodenlaserstrahlen zum Kondensationspunkt P ohne den abgebogenen Bereich 56 leiten.
Weitere Ausführungsformen
Bei den obigen Ausführungsformen weist die optische Wellenleitervorrichtung 40 den Stufenindex-Aufbau auf und enthält SiO₂ als Hüllmaterial und SiO₂ mit zugesetztem GeO₂ als Kernmaterial. Die optische Wellenleitervorrichtung 40 kann jedoch andere optische Materialien enthalten und einen Gradientenindex-Aufbau im Hinblick auf die Verteilung der Brechungsindizes.
Ferner sind bei den obigen Ausführungsformen die Halbleiterlaser-Arrays 20 mit der optischen Wellenleitervorrichtung 40 über die Stablinse 30 verbunden. Die Halbleiterlaser-Arrays 20 können jedoch mit der optischen Wellenleitervorrichtung 40 durch einfaches Aneinanderfügen verbunden werden. Darüber hinaus ist die benutzte Lichtquelle nicht auf ein Halbleiterlaser-Array 20 begrenzt, das Laserstrahlen emittiert, sondern es kann eine Lichtquellengruppe mit einem Aufbau sein, zum Steuern von Divergenzwinkeln von Laserstrahlen.
Darüber hinaus ist die optische Wellenleitervorrichtung 40 in den obigen Ausführungsformen als ein Beispiel einer Vorrichtung beschrieben worden, die Laserstrahlen bündelt, welche von den Halbleiterlaser-Arrays 20 emittiert worden sind. Es kann aber auch ein optisches System, wie eine optische Faser, benutzt werden, die den gleichen Strahl leitenden Aufbau wie die optische Wellenleitervorrichtung 40 aufweist.

Claims

Optische Vorrichtung (40) zum Kondensieren von Laserstrahlen, enthaltend: eine Vielzahl von Eintrittbereichen (50; 50A; 50B; 50C) von geführten Strahlen, wobei jeder der Eintrittsbereiche der geführten Strahlen eine Eintrittsöffnung (51a) enthält, durch die Laserstrahlen eintreten, sowie einen Kollimatorbereich (51–53; 51, 53, 54; 51, 55–58; 51, 55, 57, 58), der mit der Eintrittsöffnung optisch verbunden und geeignet ist, die einfallenden Laserstrahlen parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen zu machen; und einen Austrittsbereich (60) der geführten Strahlen, der einen ersten, sich verjüngenden Bereich (61) enthält, welcher ein mit der Vielzahl der Eintrittsbereiche der geführten Strahlen optisch verbundenes Einlassende und ein Auslassende (62) aufweist und der sich vom Einlassende zum Auslassende hin verjüngt sowie eine am Auslassende des sich verjüngenden Bereichs vorgesehene Austrittsöffnung (62a), dadurch gekennzeichnet, dass: der Kollimatorbereich (51–53; 51, 53, 54; 51, 55–58; 51, 55, 57, 58) einen sich erweiternden Bereich (53; 57) enthält, der ein Einlassende und ein Auslassende aufweist und der sich vom Auslassende zum Einlassende hin verjüngt.
Optische Vorrichtung (40) nach Anspruch 1, wobei der Kollimatorbereich (51–53; 51, 53, 54; 51, 55–58; 51, 55, 57, 58) ein Wellenleiter ist, der geeignet ist die Ausbreitungswinkel der einfallenden Laserstrahlen zu verändern.
Optische Vorrichtung (40) nach Anspruch 2, wobei der Wellenleiter (51–53; 51, 53, 54; 51, 55–58) einen abgebogenen Teil (52; 54; 56) enthält, der geeignet ist, die einfallenden Laserstrahlen in eine Richtung auszurichten, in der die Laserstrahlen kondensiert werden.
Optische Vorrichtung (40) nach Anspruch 3, wobei: der Wellenleiter (51–53; 51, 53, 54; 51, 55–58) einen zweiten sich verjüngenden Bereich (55) enthält, der ein optisch mit der Eintrittsöffnung (51a) verbundenes Einlassende und ein optisch mit dem Einlassende des sich erweiternden Bereiches (57) verbundenes Auslassende aufweist und der sich vom Einlassende zum Auslassende hin verjüngt; und das Auslassende des sich erweiternden Bereiches mit dem ersten, sich verjüngenden Bereich (61) des Austrittsbereiches (60) der geführten Strahlen optisch verbunden ist.
Optische Vorrichtung (40) nach Anspruch 4, wobei der abgebogene Teil (56) zwischen dem zweiten sich verjüngenden Bereich (55) und dem sich erweiternden Bereich (57) ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung (40) nach Anspruch 1, wobei mit der Vorgabe, dass θa ein Divergenzwinkel ist, der sich vom Ausbreitungswinkel des Laserstrahls am Auslassende des sich erweiternden Bereiches (53; 57) ausdehnt, |θp|max (p = 1, ..., N) ein Maximalwert der Ausbreitungswinkel der Laserstrahlen an den Auslassenden der Anzahl N der sich erweiternden Bereiche ist und θcr der kritische Winkel ist, der durch die Konfiguration und eine Brechungsindexcharakteristik des ersten sich verjüngenden Bereiches (61) bestimmt ist, die Beziehung |θa| < |θp|max < θcr (p = 1, ..., N) für wenigstens die Anzahl (N–2) von |θp|max erfüllt ist.
Optische Vorrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eintrittsbereiche (50; 50A; 50B; 50C) der geführten Strahlen und der Austrittsbereich (60) der geführten Strahlen optische Wellenleiter sind.
Lichtquellenvorrichtung (1) enthaltend: die optische Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; ein Lichtquellenfeld (20), das geeignet ist, Laserstrahlen zu einer Vielzahl von Eintrittsöffnungen (51a) zu emittieren; eine mit dem Austrittsbereich (60) der geführten Strahlen optisch verbundene optische Faser (70); und eine Kondenserlinse (80), die geeignet ist, die aus der optischen Faser austretenden Laserstrahlen zu kondensieren.