WO2006074684A1 - Refractive device method for production and use of such a refractive device and semiconductor laser arrangement with such a refractive device - Google Patents

Refractive device method for production and use of such a refractive device and semiconductor laser arrangement with such a refractive device Download PDF

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WO2006074684A1
WO2006074684A1 PCT/EP2005/000132 EP2005000132W WO2006074684A1 WO 2006074684 A1 WO2006074684 A1 WO 2006074684A1 EP 2005000132 W EP2005000132 W EP 2005000132W WO 2006074684 A1 WO2006074684 A1 WO 2006074684A1
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semiconductor laser
fresnel lens
refractive device
refractive
fast
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Thomas Mitra
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Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co. Kg
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    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses

Definitions

  • the present invention relates to a refractive device according to the preamble of claim 1, a method for producing such a device, an application of such a refractive device and a semiconductor laser device according to the preamble of claims 18 and 23.
  • a device and a method of the aforementioned type are known from WO 93/21 120 A1.
  • This international patent application describes the production of hyperfine structures in glass substrates. These structures can be designed, for example, as rotationally symmetrical Fresnel lenses.
  • the structures have a dimension of 500 ⁇ m or less.
  • the structures are made by a sol-gel process.
  • a disadvantage of such a method proves that during a drying phase, the substrate and the structures undergo a shrinkage process, which can cause a shrinkage of up to 75%. This leads to limitations in the choice of structures and inaccuracies in the texture of the structures.
  • the problem underlying the present invention is the provision of a device of the type mentioned, which is simple and accurate to produce. Furthermore, a method for Manufacture of such a device can be specified. Furthermore, a use of such a device should be mentioned. Furthermore, a semiconductor laser arrangement is to be specified with such a device.
  • the Fresnel lens is a cylinder-like Fresnel lens, so that in a direction perpendicular to the direction in which the zones adjoin one another, the at least one optically functional interface at least partially, in particular over the entire width of the interface formed uniformly is.
  • a Fresnel lens is easier to produce than a rotationally symmetrical Fresnel lens.
  • the at least one optically functional surface opposite side of the substrate is a flat surface or a curved, serving as a lens surface.
  • the device comprises a second, designed as a Fresnel lens optically functional interface, which is opposite to the at least one first, designed as a Fresnel lens optically functional surface.
  • the second formed as a Fresnel lens optically functional interface may also be formed as a cylinder-like Fresnel lens.
  • Claim 5 may provide that the cylinder axes of the first cylinder-like Fresnel lens and the second cylinder-like Fresnel lens are aligned perpendicular or parallel to each other.
  • the two Fresnel lenses like a rotationally symmetrical lens, act on two mutually perpendicular directions of the light impinging on them.
  • the refractive index of the glass or the crystalline material of the substrate in particular the refractive index for light from the near infrared spectral range (NIR), greater than 1, 4, preferably greater than 1, 8 according to claim 7 , in particular approximately equal to 2.
  • NIR near infrared spectral range
  • the at least one optically functional interface has a micro-roughness of less than 3 nm RMS (root mean square), in particular less than 1 nm RMS.
  • RMS root mean square
  • the extent of the average and / or the extent of each of the at least two further zones in the direction in which the zones adjoin one another is less than 100 ⁇ m, in particular about 50 ⁇ m.
  • the at least one optically functional interface is at least partially aspherical.
  • Such aspheric structures can contribute to the targeted influencing of a radiation field and can not be produced by the method according to the prior art, which comprises rotationally symmetric shrinkage processes.
  • the substrate consists at least partially of quartz or CaF 2 .
  • quartz or CaF 2 lenses find particular application in UV applications and are relatively expensive.
  • quartz or CaF 2 lenses as Fresnel lenses, the manufacturing cost of such lenses can be significantly reduced due to material savings.
  • a Fresnel lens is significantly less thick than a comparable conventional lens.
  • the method according to claim 12 provides that the Fresnel lens is produced by a removing process.
  • the erosive method is an etching method or a removal method by energy irradiation, such as laser radiation, electron radiation or ion radiation.
  • energy irradiation such as laser radiation, electron radiation or ion radiation.
  • the Fresnel lens is used as a fast axis collimating means of a semiconductor laser array.
  • a fast-axis collimating lens By forming a fast-axis collimating lens as a Fresnel lens, it can be very thin, so that it occupies very little space in a structure in which, under some circumstances, the individual components must or should be placed as close as possible one behind the other.
  • the fast axis collimation means have a numerical aperture of more than 0.8.
  • the fast-axis collimation means have a focal length between 0, 1 mm and 12 mm, in particular between 1, 6 mm and 2.2 mm.
  • the Fresnel lens is used as a focusing means, in particular as a field lens of a semiconductor laser array.
  • Such field lenses are usually very large and thus thick with appropriate focal length, so that they are difficult to produce and for applications in the UV also very expensive.
  • the design of such a lens as Fresnel lens such problems are bypassed.
  • the fast-axis collimation means comprise a refractive device according to the invention.
  • the semiconductor laser comprises a plurality of emitting sections arranged side by side in the slow-axis direction and at a distance from one another.
  • the semiconductor laser arrangement comprises homogenizer means for homogenizing the laser light.
  • the semiconductor laser arrangement comprises focusing means for focusing the collimated and / or homogenized laser light into a line-like focus area.
  • the semiconductor laser array is designed such that in the line-like focus area, a power of more than 50 W per cm line length can be introduced.
  • the focusing means comprise a refractive device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic detail view of a first embodiment of a semiconductor laser arrangement according to the invention with a first embodiment of a refractive device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a second embodiment of a semiconductor laser arrangement according to the invention with a second embodiment of a refractive device according to the invention
  • the illustrated in Fig. 1 embodiment of a semiconductor laser array comprises a non-illustrated semiconductor laser diode bars and also not shown fast axis collimation.
  • the semiconductor laser assembly further comprises homogenizer means 1, which consist for example of a plurality of juxtaposed lenses, in particular cylindrical lenses.
  • the semiconductor laser array further comprises in the propagation direction of the light behind the homogenizer means 1 arranged focusing means, which consists of a cylindrical lens 2 for the fast-axis direction and a Fresnel lens formed field lens 3 for the slow-axis direction.
  • focusing the light of the laser diode bar is focused in a working plane 4, for example, in a line-like focus area.
  • the field lens 3 has on its outlet side a Fresnel lens with a central zone 5 and outside adjoining further zones 6, 7.
  • the zones 5, 6, 7 are designed like a cylinder, so that they are in the drawing plane of FIG extend unchanged.
  • a flat surface 8 is arranged on the Fresnel lens opposite side of the substrate of the field lens 3.
  • the second exemplary embodiment of a semiconductor laser arrangement according to the invention shown in FIG. 2 essentially comprises a laser diode bar 9 characterized by a point and a fast axis collimation means 10 designed as a refractive device according to the invention.
  • the fast axis collimation means 10 has a Fresnel lens on its exit surface a middle zone 1 1 and outside further adjoining zones 12, 13. Also in this embodiment, the zones 1 1, 12, 13 are formed like a cylinder so that they hineinergroupedn in the plane of Fig. 2 substantially without change.
  • the laser light 14 which emanates from the laser diode bar 9 and which is highly divergent in the illustrated fast axis direction, is largely converted into collimated laser light 15 by the Fresnel lens of the fast axis collimation means 10.

Abstract

The invention relates to a refractive device, comprising a substrate made from glass or a crystalline material, with at least one optically functional boundary surface, embodied as a Fresnel lens, with a medial zone and at least two further adjacent zones (11, 12, 13), whereby the extent of the medial and/or the extent of one of the at least two further zones (11, 12, 13) is less than 1 mm in the direction in which the zones (11, 12, 13) are connected and the Fresnel lens is a cylindrical Fresnel lens such that the at least one optically functional boundary surface is at least partly, in particular, over the entire width of the boundary surface, uniformly embodied in a direction perpendicular to the direction of connection of the zones (11, 12, 13).

Description

Refraktive Vorrichtung, Verfahren zur Herstellung und Refractive device, method of manufacture and
Verwendung einer derartigen refraktiven Vorrichtung sowieUse of such a refractive device and
Halbleiterlaseranordnung mit einer derartigen refraktivenSemiconductor laser arrangement with such a refractive
Vorrichtungcontraption
Die vorliegende Erfindung betrifft eine refraktive Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung, eine Anwendung einer derartigen refraktiven Vorrichtung sowie eine Halbleiterlaseranordnung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 18 und 23.The present invention relates to a refractive device according to the preamble of claim 1, a method for producing such a device, an application of such a refractive device and a semiconductor laser device according to the preamble of claims 18 and 23.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren der vorgenannten Art sind aus der WO 93/21 120 A1 bekannt. In dieser internationalen Patentanmeldung wird die Herstellung von hyperfeinen Strukturen in Glassubstraten beschrieben. Diese Strukturen können beispielsweise als rotationssymmetrische Fresnellinsen ausgebildet sein. Die Strukturen haben eine Abmessung von 500 μm oder weniger. Die Strukturen werden durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Als nachteilig bei einem derartigen Verfahren erweist sich, dass während einer Trocknungsphase das Substrat und die Strukturen einem Schrumpfungsprozess unterliegen, der eine Schrumpfung um bis zu 75% bewirken kann. Dies führt zu Beschränkungen bei der Auswahl der Strukturen und zu Ungenauigkeiten bei der Beschaffenheit der Strukturen.A device and a method of the aforementioned type are known from WO 93/21 120 A1. This international patent application describes the production of hyperfine structures in glass substrates. These structures can be designed, for example, as rotationally symmetrical Fresnel lenses. The structures have a dimension of 500 μm or less. The structures are made by a sol-gel process. A disadvantage of such a method proves that during a drying phase, the substrate and the structures undergo a shrinkage process, which can cause a shrinkage of up to 75%. This leads to limitations in the choice of structures and inaccuracies in the texture of the structures.
Ähnliche Nachteile weisen ebenfalls aus dem Stand der Technik (siehe beispielsweise EP 0 320 887 B1 ) bekannte Pressglas- Verfahren auf.Similar disadvantages are also known from the prior art (see, for example, EP 0 320 887 B1) known press glass method.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die einfach und präzise herstellbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung angegeben werden. Weiterhin soll eine Verwendung einer derartigen Vorrichtung genannt werden. Weiterhin soll eine Halbleiterlaseranordnung mit einer derartigen Vorrichtung angegeben werden.The problem underlying the present invention is the provision of a device of the type mentioned, which is simple and accurate to produce. Furthermore, a method for Manufacture of such a device can be specified. Furthermore, a use of such a device should be mentioned. Furthermore, a semiconductor laser arrangement is to be specified with such a device.
Dies wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 , hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12, hinsichtlich der Verwendung durch eine Verwendung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 14 und 17 sowie hinsichtlich der Halbleiterlaseranordnung durch eine Halbleiterlaseranordnung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 18 und 23 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.This is according to the invention with respect to the device by a device of the type mentioned above with the characterizing features of claim 1, with respect to the method by a method of the type mentioned above with the characterizing features of claim 12, with respect to use by a use of the type mentioned the characterizing features of claims 14 and 17 and with respect to the semiconductor laser array by a semiconductor laser array of the type mentioned above with the characterizing features of claims 18 and 23 achieved. The subclaims relate to preferred developments of the invention.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Fresnellinse eine zylinderähnliche Fresnellinse ist, so dass in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Zonen aneinander anschließen, die mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche zumindest abschnittsweise, insbesondere über die gesamte Breite der Grenzfläche, gleichmäßig ausgebildet ist. Eine derartige Fresnellinse lässt sich einfacher herstellen als eine rotationssymmetrische Fresnellinse.According to claim 1 it is provided that the Fresnel lens is a cylinder-like Fresnel lens, so that in a direction perpendicular to the direction in which the zones adjoin one another, the at least one optically functional interface at least partially, in particular over the entire width of the interface formed uniformly is. Such a Fresnel lens is easier to produce than a rotationally symmetrical Fresnel lens.
Dabei besteht gemäß Anspruch 2 die Möglichkeit, dass die der mindestens einen optisch funktionalen Fläche gegenüberliegende Seite des Substrates eine plane Fläche oder eine gekrümmte, als Linse dienende Fläche ist. Alternativ dazu kann gemäß Anspruch 3 vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine zweite, als Fresnellinse ausgebildete optisch funktionale Grenzfläche umfasst, die der mindestens einen ersten, als Fresnellinse ausgebildeten optisch funktionalen Fläche gegenüberliegt.In this case, according to claim 2, there is the possibility that the at least one optically functional surface opposite side of the substrate is a flat surface or a curved, serving as a lens surface. Alternatively, it can be provided according to claim 3 that the device comprises a second, designed as a Fresnel lens optically functional interface, which is opposite to the at least one first, designed as a Fresnel lens optically functional surface.
Dabei kann gemäß Anspruch 4 die zweite als Fresnellinse ausgebildete optisch funktionale Grenzfläche ebenfalls als zylinderähnliche Fresnellinse ausgebildet sein.In this case, according to claim 4, the second formed as a Fresnel lens optically functional interface may also be formed as a cylinder-like Fresnel lens.
Anspruch 5 kann vorsehen, dass die Zylinderachsen der ersten zylinderähnlichen Fresnellinse und der zweiten zylinderähnlichen Fresnellinse senkrecht oder parallel zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere bei zueinander senkrecht ausgerichteten Zylinderachsen wirken die beiden Fresnellinsen wie eine rotationssymmetrische Linse auf zwei zueinander senkrechte Richtungen des auf sie auftreffenden Lichts ein.Claim 5 may provide that the cylinder axes of the first cylinder-like Fresnel lens and the second cylinder-like Fresnel lens are aligned perpendicular or parallel to each other. In particular, in the case of cylinder axes oriented perpendicular to one another, the two Fresnel lenses, like a rotationally symmetrical lens, act on two mutually perpendicular directions of the light impinging on them.
Es besteht gemäß Anspruch 6 die Möglichkeit, dass der Brechungsindex des Glases oder des kristallinen Materials des Substrats, insbesondere der Brechungsindex für Licht aus dem nahen infraroten Spektralbereich (NIR), größer als 1 ,4 ist, vorzugsweise gemäß Anspruch 7 größer als 1 ,8, insbesondere etwa gleich 2 ist. Derartig hochbrechende Substrate lassen sich mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht herstellen.There is the possibility that the refractive index of the glass or the crystalline material of the substrate, in particular the refractive index for light from the near infrared spectral range (NIR), greater than 1, 4, preferably greater than 1, 8 according to claim 7 , in particular approximately equal to 2. Such high-index substrates can not be produced by the method known from the prior art.
Gemäß Anspruch 8 kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche eine Mikrorauigkeit von weniger als 3nm RMS (root mean Square), insbesondere von weniger als 1 nm RMS aufweist. Vermittels derartig qualitativ hochwertiger Oberflächen lassen sich auch Hochleistungslaserstrahlen mit großer Genauigkeit formen oder transformieren. Es besteht gemäß Anspruch 9 die Möglichkeit, dass die Ausdehnung der mittleren und/oder die Ausdehnung einer jeder der mindestens zwei weiteren Zonen in der Richtung, in der die Zonen aneinander anschließen, weniger als 100 μm, insbesondere etwa 50 μm beträgt. Mittels derartig kleiner Strukturen lassen sich die Eigenschaften von zu verändernden Strahlungsfeldern gezielt beeinflussen.According to claim 8 it can be provided that the at least one optically functional interface has a micro-roughness of less than 3 nm RMS (root mean square), in particular less than 1 nm RMS. By means of such high-quality surfaces, it is also possible to form or transform high-power laser beams with great accuracy. There is the possibility according to claim 9 that the extent of the average and / or the extent of each of the at least two further zones in the direction in which the zones adjoin one another is less than 100 μm, in particular about 50 μm. By means of such small structures, the properties of radiation fields to be changed can be specifically influenced.
Gemäß Anspruch 10 kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche zumindest abschnittsweise asphärisch ausgebildet ist. Derartige asphärische Strukturen können zur gezielten Beeinflussung eines Strahlungsfeldes beitragen und lassen sich mit dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, das rotationssymmetrische Schrumpfungsprozesse umfasst, nicht herstellen.According to claim 10 it can be provided that the at least one optically functional interface is at least partially aspherical. Such aspheric structures can contribute to the targeted influencing of a radiation field and can not be produced by the method according to the prior art, which comprises rotationally symmetric shrinkage processes.
Es besteht gemäß Anspruch 1 1 die Möglichkeit, dass das Substrat zumindest teilweise aus Quarz oder CaF2 besteht. Diese Materialien finden insbesondere Anwendung in UV-Anwendungen und sind vergleichsweise teuer. Durch die Ausführung von Quarz- oder CaF2- Linsen als Fresnellinsen können die Herstellungskosten für derartige Linsen aufgrund von Materialeinsparung deutlich gesenkt werden. Insbesondere ist eine Fresnellinse deutlich weniger dick als eine vergleichbare konventionelle Linse.There is according to claim 1 1 the possibility that the substrate consists at least partially of quartz or CaF 2 . These materials find particular application in UV applications and are relatively expensive. By implementing quartz or CaF 2 lenses as Fresnel lenses, the manufacturing cost of such lenses can be significantly reduced due to material savings. In particular, a Fresnel lens is significantly less thick than a comparable conventional lens.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12 sieht vor, dass die Fresnellinse durch ein abtragendes Verfahren hergestellt wird.The method according to claim 12 provides that the Fresnel lens is produced by a removing process.
Dabei besteht gemäß Anspruch 13 die Möglichkeit, dass das abtragende Verfahren ein Ätzverfahren oder ein Abtragungsverfahren durch Energieeinstrahlung, wie Laserstrahlung, Elektronenstrahlung oder lonenstrahlung, ist. Durch ein derartiges Verfahren lassen sich feine Strukturen ohne Zwischenschaltung eines Schrumpfungsschrittes erzeugen, so dass insbesondere auch nicht rotationssymmetrische Strukturen erzeugt werden können.In this case, according to claim 13 there is the possibility that the erosive method is an etching method or a removal method by energy irradiation, such as laser radiation, electron radiation or ion radiation. By such a method can be produce fine structures without interposition of a shrinkage step, so that in particular non-rotationally symmetric structures can be generated.
Die Verwendung gemäß Anspruch 14 sieht vor, dass die Fresnellinse als Fast-Axis-Kollimationsmittel einer Halbleiterlaseranordnung verwendet wird. Durch die Ausbildung einer Fast-Axis-Kollimations- Linse als Fresnellinse kann diese sehr dünn sein, so dass sie sehr wenig Platz in einem Aufbau einnimmt, bei dem unter Umständen die einzelnen Komponenten so nahe wie möglich hintereinander platziert werden müssen oder sollten.The use according to claim 14 provides that the Fresnel lens is used as a fast axis collimating means of a semiconductor laser array. By forming a fast-axis collimating lens as a Fresnel lens, it can be very thin, so that it occupies very little space in a structure in which, under some circumstances, the individual components must or should be placed as close as possible one behind the other.
Insbesondere kann dabei gemäß Anspruch 15 vorgesehen sein, dass die Fast-Axis-Kollimationsmittel eine numerische Apertur von mehr als 0,8 aufweisen.In particular, it can be provided according to claim 15 that the fast axis collimation means have a numerical aperture of more than 0.8.
Weiterhin kann dabei gemäß Anspruch 16 vorgesehen sein, dass die Fast-Axis-Kollimationsmittel eine Brennweite zwischen 0, 1 mm und 12 mm, insbesondere zwischen 1 ,6 mm und 2,2 mm aufweisen.Furthermore, it can be provided according to claim 16 that the fast-axis collimation means have a focal length between 0, 1 mm and 12 mm, in particular between 1, 6 mm and 2.2 mm.
Die Verwendung gemäß Anspruch 17 sieht vor, dass die Fresnellinse als Fokussiermittel, insbesondere als Feldlinse einer Halbleiterlaseranordnung verwendet wird. Derartige Feldlinsen sind in der Regel sehr groß und damit bei entsprechender Brennweite auch dick, so dass sie schwer herstellbar und bei Anwendungen im UV auch sehr teuer sind. Durch die Ausgestaltung einer derartigen Linse als Fresnellinse werden derartige Probleme umgangen.The use according to claim 17 provides that the Fresnel lens is used as a focusing means, in particular as a field lens of a semiconductor laser array. Such field lenses are usually very large and thus thick with appropriate focal length, so that they are difficult to produce and for applications in the UV also very expensive. The design of such a lens as Fresnel lens such problems are bypassed.
Bei der Halbleiterlaseranordnung gemäß Anspruch 18 umfassen die Fast-Axis-Kollimationsmittel eine erfindungsgemäße refraktive Vorrichtung. Es besteht dabei gemäß Anspruch 19 die Möglichkeit, dass der Halbleiterlaser eine Mehrzahl von in der Slow-Axis-Richtung nebeneinander und beabstandet zueinander angeordneten emittierenden Abschnitten umfasst.In the semiconductor laser device according to claim 18, the fast-axis collimation means comprise a refractive device according to the invention. According to claim 19, there is the possibility that the semiconductor laser comprises a plurality of emitting sections arranged side by side in the slow-axis direction and at a distance from one another.
Es besteht gemäß Anspruch 20 die Möglichkeit, dass die Halbleiterlaseranordnung Homogenisatormittel zur Homogenisierung des Laserlichtes umfasst.There is the possibility according to claim 20 that the semiconductor laser arrangement comprises homogenizer means for homogenizing the laser light.
Es besteht gemäß Anspruch 21 die Möglichkeit, dass die Halbleiterlaseranordnung Fokussiermittel zur Fokussierung des kollimierten und/oder homogenisierten Laserlichtes in einen linienartigen Fokusbereich umfasst.There is the possibility according to claim 21 that the semiconductor laser arrangement comprises focusing means for focusing the collimated and / or homogenized laser light into a line-like focus area.
Es besteht gemäß Anspruch 22 die Möglichkeit, dass die Halbleiterlaseranordnung derart gestaltet ist, dass in den linienartigen Fokusbereich eine Leistung von mehr als 50 W pro cm Linienlänge eingebracht werden kann.It is possible according to claim 22 that the semiconductor laser array is designed such that in the line-like focus area, a power of more than 50 W per cm line length can be introduced.
Bei der Halbleiterlaseranordnung gemäß Anspruch 18 umfassen die Fokussiermittel eine erfindungsgemäße refraktive Vorrichtung. In the semiconductor laser device according to claim 18, the focusing means comprise a refractive device according to the invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenFurther features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. Show in it
Fig. 1 eine schematische Detailansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaseranordnung mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen refraktiven Vorrichtung;1 shows a schematic detail view of a first embodiment of a semiconductor laser arrangement according to the invention with a first embodiment of a refractive device according to the invention;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaseranordnung mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen refraktiven Vorrichtung;FIG. 2 shows a schematic side view of a second embodiment of a semiconductor laser arrangement according to the invention with a second embodiment of a refractive device according to the invention; FIG.
Die in Fig. 1 abgebildete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaseranordnung umfasst einen nicht abgebildeten Halbleiterlaserdiodenbarren und ebenfalls nicht abgebildete Fast- Axis-Kollimationsmittel. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass die Halbleiterlaseranordnung weiterhin Homogenisatormittel 1 umfasst, die beispielsweise aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Linsen, insbesondere Zylinderlinsen bestehen. Die Halbleiterlaseranordnung umfasst weiterhin in Ausbreitungsrichtung des Lichtes hinter den Homogenisatormitteln 1 angeordnete Fokussiermittel, die aus einer Zylinderlinse 2 für die Fast-Axis- Richtung und einer als Fresnellinse ausgebilden Feldlinse 3 für die Slow-Axis-Richtung besteht. Durch die Fokussiermittel wird das Licht des Laserdiodenbarrens in eine Arbeitsebene 4 beispielsweise in einen linienähnlichen Fokusbereich fokussiert. Die Feldlinse 3 weist auf ihrer Austrittsseite eine Fresnellinse auf mit einer mittleren Zone 5 und sich außen daran anschließenden weiteren Zonen 6, 7. Die Zonen 5, 6, 7 sind dabei zylinderähnlich ausgeführt, so dass sie sich in die Zeichenebene der Fig. 1 hinein unverändert erstrecken. Auf der der Fresnellinse gegenüberliegenden Seite des Substrates der Feldlinse 3 ist eine plane Fläche 8 angeordnet.The illustrated in Fig. 1 embodiment of a semiconductor laser array according to the invention comprises a non-illustrated semiconductor laser diode bars and also not shown fast axis collimation. From Fig. 1 it can be seen that the semiconductor laser assembly further comprises homogenizer means 1, which consist for example of a plurality of juxtaposed lenses, in particular cylindrical lenses. The semiconductor laser array further comprises in the propagation direction of the light behind the homogenizer means 1 arranged focusing means, which consists of a cylindrical lens 2 for the fast-axis direction and a Fresnel lens formed field lens 3 for the slow-axis direction. By focusing the light of the laser diode bar is focused in a working plane 4, for example, in a line-like focus area. The field lens 3 has on its outlet side a Fresnel lens with a central zone 5 and outside adjoining further zones 6, 7. The zones 5, 6, 7 are designed like a cylinder, so that they are in the drawing plane of FIG extend unchanged. On the Fresnel lens opposite side of the substrate of the field lens 3, a flat surface 8 is arranged.
Das in Fig. 2 abgebildete zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaseranordnung umfasst im Wesentlichen einen durch einen Punkt charakterisierten Laserdiodenbarren 9 und ein als erfindungsgemäße refraktive Vorrichtung ausgebildetes Fast-Axis-Kollimationsmittel 10. Das Fast- Axis-Kollimationsmittel 10 weist auf seiner Austrittsfläche eine Fresnellinse auf mit einer mittleren Zone 1 1 und sich außen daran anschließenden weiteren Zonen 12, 13. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Zonen 1 1 , 12, 13 zylinderähnlich ausgebildet, so dass sie sich in die Zeichenebene der Fig. 2 im Wesentlichen ohne Änderung hineinerstrecken.The second exemplary embodiment of a semiconductor laser arrangement according to the invention shown in FIG. 2 essentially comprises a laser diode bar 9 characterized by a point and a fast axis collimation means 10 designed as a refractive device according to the invention. The fast axis collimation means 10 has a Fresnel lens on its exit surface a middle zone 1 1 and outside further adjoining zones 12, 13. Also in this embodiment, the zones 1 1, 12, 13 are formed like a cylinder so that they hineinerstrecken in the plane of Fig. 2 substantially without change.
Das von dem Laserdiodenbarren 9 ausgehende in der abgebildeten Fast-Axis-Richtung stark divergente Laserlicht 14 wird durch die Fresnellinse der Fast-Axis-Kollimationsmittel 10 weitestgehend in kollimiertes Laserlicht 15 umgewandelt. The laser light 14 which emanates from the laser diode bar 9 and which is highly divergent in the illustrated fast axis direction, is largely converted into collimated laser light 15 by the Fresnel lens of the fast axis collimation means 10.
Bezugszeichen liste:Reference number list:
Homogen isatormittelHomogeneous isator agent
Zylinderlinsecylindrical lens
Feldlinsefield lens
Arbeitsebene , 1 1 mittlere Zone , 7, 12, 13 weitere Zonen plane FlächeWorking plane, 1 1 middle zone, 7, 12, 13 other zones flat surface
Laserdioden barren 0 Fast-Axis-KollimationsmittelLaser diodes barren 0 Fast axis collimation
Laserlicht von 9 5 kollimiertes Laserlicht Laser light of 9 5 collimated laser light

Claims

Patentansprüche: claims:
1 . Refraktive Vorrichtung, umfassend ein Substrat aus Glas oder einem kristallinen Material, das mindestens eine als Fresnellinse ausgebildete optisch funktionale Grenzfläche mit einer mittleren und mindestens zwei an diese anschließenden weiteren Zonen (5, 6, 7, 1 1 , 12, 13) umfasst, wobei die Ausdehnung der mittleren und/oder die Ausdehnung einer jeder der mindestens zwei weiteren Zonen (5, 6, 7, 1 1 , 12, 13) in der Richtung, in der die Zonen (5, 6, 7, 1 1 , 12, 13) aneinander anschließen, weniger als 1 mm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnellinse eine zylinderähnliche Fresnellinse ist, so dass in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Zonen (5, 6, 7, 1 1 , 12, 13) aneinander anschließen, die mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche zumindest abschnittsweise, insbesondere über die gesamte Breite der Grenzfläche, gleichmäßig ausgebildet ist.1 . A refractive device comprising a glass or crystalline material substrate comprising at least one optically functional interface formed as a Fresnel lens with a central and at least two further zones (5, 6, 7, 11, 12, 13) adjacent thereto the extent of the mean and / or the extent of each of the at least two further zones (5, 6, 7, 11, 12, 13) in the direction in which the zones (5, 6, 7, 11, 12, 13) 13) adjoin one another, is less than 1 mm, characterized in that the Fresnel lens is a cylinder-like Fresnel lens, so that in a direction perpendicular to the direction in which the zones (5, 6, 7, 1 1, 12, 13) connect to each other, the at least one optically functional interface at least partially, in particular over the entire width of the interface, uniformly formed.
2. Refraktive Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die der mindestens einen optisch funktionalen Fläche gegenüberliegende Seite des Substrates eine plane Fläche (8) oder eine gekrümmte, als Linse dienende Fläche ist.2. refractive device according to claim 1, characterized in that the at least one optically functional surface opposite side of the substrate is a flat surface (8) or a curved, serving as a lens surface.
3. Refraktive Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine zweite, als Fresnellinse ausgebildete optisch funktionale Grenzfläche umfasst, die der mindestens einen ersten, als Fresnellinse ausgebildeten optisch funktionalen Fläche gegenüberliegt.3. refractive device according to claim 1, characterized in that the device comprises a second, designed as a Fresnel lens optically functional interface, which is opposite to the at least one first, designed as a Fresnel lens optically functional surface.
4. Refraktive Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite als Fresnellinse ausgebildete optisch funktionale Grenzfläche ebenfalls als zylinderähnliche Fresnellinse ausgebildet ist.4. refractive device according to claim 3, characterized in that the second designed as a Fresnel lens Optically functional interface is also designed as a cylinder-like Fresnel lens.
5. Refraktive Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachsen der ersten zylinderähnlichen Fresnellinse und der zweiten zylinderähnlichen Fresnellinse senkrecht oder parallel zueinander ausgerichtet sind.5. refractive device according to claim 4, characterized in that the cylinder axes of the first cylinder-like Fresnel lens and the second cylinder-like Fresnel lens are aligned perpendicular or parallel to each other.
6. Refraktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex des Glases oder des kristallinen Materials des Substrats, insbesondere der Brechungsindex für Licht aus dem nahen infraroten Spektralbereich (NIR), größer als 1 ,4 ist.6. refractive device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the refractive index of the glass or the crystalline material of the substrate, in particular the refractive index for light from the near infrared spectral range (NIR), greater than 1, 4.
7. Refraktive Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex des Glases oder des kristallinen Materials des Substrats, insbesondere der Brechungsindex für Licht aus dem nahen infraroten Spektralbereich (N I R), größer als 1 ,8, insbesondere etwa gleich 2 ist.7. refractive device according to claim 6, characterized in that the refractive index of the glass or the crystalline material of the substrate, in particular the refractive index for light from the near infrared spectral range (N I R), greater than 1, 8, in particular approximately equal to 2.
8. Refraktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche eine Mikrorauigkeit von weniger als 3nm RMS (root mean Square), insbesondere von weniger als 1 nm RMS aufweist.8. refractive device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one optically functional interface has a micro-roughness of less than 3nm RMS (root mean square), in particular less than 1 nm RMS.
9. Refraktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der mittleren und/oder die Ausdehnung einer jeder der mindestens zwei weiteren Zonen (5, 6, 7, 1 1 , 12, 13) in der Richtung, in der die Zonen (5, 6, 7, 1 1 , 12, 13) aneinander anschließen, weniger als 100 μm, insbesondere etwa 50 μm beträgt.Refractive device according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the extent of the mean and / or the extent of each of the at least two further zones (5, 6, 7, 11, 12, 13) in the direction in the Connect zones (5, 6, 7, 1 1, 12, 13) to each other, less than 100 microns, in particular about 50 microns.
10. Refraktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche zumindest abschnittsweise asphärisch ausgebildet ist.10. refractive device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the at least one optically functional interface is formed at least partially aspherical.
1 1. Refraktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat zumindest teilweise aus Quarz oder CaF2 besteht.1 1. Refractive device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the substrate consists at least partially of quartz or CaF 2 .
12. Verfahren zur Herstellung einer refraktiven Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnellinse durch ein abtragendes Verfahren hergestellt wird.12. A method for producing a refractive device according to any one of claims 1 to 1 1, characterized in that the Fresnel lens is produced by a removing process.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das abtragende Verfahren ein Ätzverfahren oder ein Abtragungsverfahren durch Energieeinstrahlung, wie Laserstrahlung, Elektronenstrahlung oder lonenstrahlung, ist.13. The method according to claim 12, characterized in that the erosive method is an etching method or a removal method by energy irradiation, such as laser radiation, electron radiation or ion radiation.
14. Verwendung einer refraktiven Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnellinse als Fast-Axis-Kollimationsmittel (10) einer Halbleiterlaseranordnung verwendet wird.14. Use of a refractive device according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the Fresnel lens is used as a fast-axis collimation means (10) of a semiconductor laser array.
15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fast-Axis-Kollimationsmittel (10) eine numerische Apertur von mehr als 0,8 aufweisen.15. Use according to claim 14, characterized in that the fast-axis collimation means (10) have a numerical aperture of more than 0.8.
16. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fast-Axis-Kollimationsmittel (10) eine Brennweite zwischen 0, 1 mm und 12 mm, insbesondere zwischen 1 ,6 mm und 2,2 mm aufweisen.16. Use according to one of claims 14 or 15, characterized in that the fast-axis collimation means (10) have a focal length between 0, 1 mm and 12 mm, in particular between 1, 6 mm and 2.2 mm.
17. Verwendung einer refraktiven Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die17. Use of a refractive device according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the
Fresnellinse als Fokussiermittel, insbesondere als Feldlinse (3) einer Halbleiterlaseranordnung verwendet wird.Fresnel lens is used as a focusing agent, in particular as a field lens (3) of a semiconductor laser array.
18. Halbleiterlaseranordnung, umfassend18. A semiconductor laser array comprising
mindestens einen Halbleiterlaser (9) mit mindestens einem emittierenden Abschnitt, wobei die Divergenz des von diesem mindestens einen emittierenden Abschnitt ausgehenden Laserlichtes (14) in der Fast-Axis-Richtung größer ist als in der dazu senkrechten Slow-Axis-Richtung;at least one semiconductor laser (9) having at least one emitting section, the divergence of the laser light (14) emanating from this at least one emitting section being greater in the fast-axis direction than in the slow-axis direction perpendicular thereto;
Fast-Axis-Kollimationsmittel (10) für die Kollimierung des aus dem mindestens einen emittierenden Abschnitt austretenden Laserlichtes (14) hinsichtlich der Fast-Axis- Richtung;Fast-axis collimation means (10) for collimating the laser light (14) emerging from the at least one emitting section with respect to the fast-axis direction;
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Fast-Axis-Kollimationsmittel (10) eine refraktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 umfassen.the fast-axis collimation means (10) comprise a refractive device according to any one of claims 1 to 11.
19. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterlaser eine Mehrzahl von in der Slow-Axis-Richtung nebeneinander und beabstandet zueinander angeordneten emittierenden Abschnitten umfasst.19. The semiconductor laser arrangement according to claim 18, characterized in that the semiconductor laser comprises a plurality of juxtaposed in the slow-axis direction and spaced apart emitting sections.
20. Halbleiterlaseranordnung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlaseranordnung Homogenisatormittel (1 ) zur Homogenisierung des Laserlichtes umfasst.20. A semiconductor laser arrangement according to one of claims 18 or 19, characterized in that the Semiconductor laser arrangement comprises homogenizer means (1) for homogenizing the laser light.
21. Halbleiterlaseranordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlaseranordnung Fokussiermittel zur Fokussierung des kollimierten und/oder homogenisierten Laserlichtes in einen linienartigen Fokusbereich umfasst.21. The semiconductor laser arrangement according to claim 18, characterized in that the semiconductor laser arrangement comprises focusing means for focusing the collimated and / or homogenized laser light into a line-like focus area.
22. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlaseranordnung derart gestaltet ist, dass in den linienartigen Fokusbereich eine Leistung von mehr als 50 W pro cm Linienlänge eingebracht werden kann.22. The semiconductor laser arrangement according to claim 21, characterized in that the semiconductor laser arrangement is designed such that in the line-like focus area a power of more than 50 W per cm line length can be introduced.
23. Halbleiterlaseranordnung, umfassend23. A semiconductor laser array comprising
mindestens einen Halbleiterlaser (9) mit mindestens einem emittierenden Abschnitt, wobei die Divergenz des von diesem mindestens einen emittierenden Abschnitt ausgehenden Laserlichtes in der Fast-Axis-Richtung größer ist als in der dazu senkrechten Slow-Axis-Richtung;at least one semiconductor laser (9) having at least one emitting section, the divergence of the laser light emanating from this at least one emitting section being greater in the fast-axis direction than in the slow-axis direction perpendicular thereto;
Fast-Axis-Kollimationsmittel (10) für die Kollimierung des aus dem mindestens einen emittierenden Abschnitt austretenden Laserlichtes hinsichtlich der Fast-Axis- Richtung;Fast-axis collimation means (10) for collimating the laser light emerging from the at least one emitting section with respect to the fast-axis direction;
Homogenisatormittel (1 ) zur Homogenisierung des Laserlichtes; Fokussiermittel zur Fokussierung des kollimierten und/oder homogenisierten Laserlichtes in einen linienartigen Fokusbereich;Homogenizer means (1) for homogenizing the laser light; Focusing means for focusing the collimated and / or homogenized laser light in a line-like focus area;
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Fokussiermittel eine refraktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 umfassen. the focusing means comprise a refractive device according to any one of claims 1 to 11.
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