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Dokumentenidentifikation DE10135101B4 22.07.2004
Titel Verfahren und Anordnung zur Justierung von Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemittern zugeordneten optischen Bauelementen zwecks Strahlformung
Anmelder Forschungsverbund Berlin e.V., 12489 Berlin, DE
Erfinder Tomm, Jens Wolfgang, Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., 14532 Kleinmachnow, DE;
Grunwald, Rüdiger, Dipl.Phys. Dr., 13187 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 11.07.2001
DE-Aktenzeichen 10135101
Offenlegungstag 06.02.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.07.2004
IPC-Hauptklasse G02B 27/62

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Justierung von Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemittern zugeordneten optischen Bauelementen zwecks Strahlformung.

Halbleiterlaser haben im Vergleich zu anderen Lasern relativ schlechte Strahlparameter, insbesondere eine sehr große Strahldivergenz. Zur Verringerung der Strahldivergenz werden Kollimationsoptiken in der Nähe der Austrittsapertur des Lasers exakt positioniert und fixiert. Üblicherweise sind diese Kollimationsoptiken fester Bestandteil eines Lasermoduls.

Die Justage der Kollimationsoptiken erfolgt dem Stand der Technik nach entsprechend passiv oder aktiv.

Bei der so genannten passiven Justierung (z.B. beschrieben in US 6 160 672 und WO 00/19248) werden hauptsächlich mechanische Vorrichtungen zur optimalen Positionierung der optischen Bauelemente eingesetzt (z.B. Spacer oder Bumps vorgegebener Dicke). Derartige zusätzliche optische Komponenten erfordern bei der Herstellung bereits eine hohe Genauigkeit (s. beispielsweise SPIE Vol. 2383, pp. 253–260) und sind daher aufwändig in ihrer Herstellung. Ob das optische Bauelement im Einzelfall wirklich optimal positioniert ist, stellt sich erst beim Betrieb des Lasers heraus.

Weiterhin ist bei der optischen Justierung auch die Abstandseinstellung von Array-Komponenten (Mikrolinsen-Arrays angeordnet vor Photodetektor-Arrays) mittels Moiré-Effekt oder abstandsregelnder Autofokussensor-Anordnung (z.B. bei konfokaler Mikroskopie, Laserdiodenprofilometer oder Nahfeldmikroskop) bekannt.

Bei der aktiven Justierung wird der Laser betrieben und seine Strahlverteilung im Fernfeld auf einem Schirm oder einer Kamera betrachtet. Das zu justierende optische Bauelement wird gezielt bewegt, während dieser Bewegung wird die Abbildung der Laserstrahlung in einer bestimmten Abbildungsebene in Strahlrichtung beobachtet. Entspricht die Abbildung den Anforderungen, dann wird das optische Bauelement fixiert und der Justiervorgang ist abgeschlossen. Eine solche aktive Justierung ist beispielsweise in LASER FOCUS WORLD February 1993, pp. 97-100 oder SPIE Vol. 2383, pp. 278-282 beschrieben. Um thermische Überlastungen bei höheren Laserleistungen zu vermeiden, müssen technisch aufwändige Impulsgeneratoren eingesetzt werden (Heute sind so genannte 50 W-Barren von 1 cm Breite kommerzieller Standard, deren Schwellen bei ca. 10 A liegen). Ebenso muss Vorsorge getroffen werden, dass ein optisches Bauelement, welches möglicherweise nur wenige Mikrometer von der Apertur eines in Betrieb befindlichen Lasers angeordnet ist, bei notwendiger mechanischer Bewegung auch noch gekühlt und die Umgebung in Abhängigkeit der Laserleistung vor der Strahlung geschützt wird, außerdem darf die Beschichtung der Laserfacette oder in anderer Weise das aktive Bauelement nicht beschädigt werden.

In JP 01-21409 A ist ein Verfahren zur Justierung einer Kollimatorlinse beschrieben, bei dem auf einer optischen Achse zwischen einem Halbleiterlaser und einer Photodiode eine zu justierende Kollimatorlinse angeordnet ist. Für die Justierung der Kollimatorlinse wird ein vom Halbleiterlaser ausgesendeter Lichtstrahl durch die Kollimatorlinse auf die Photodiode gerichtet. Durch Veränderung des Abstandes zwischen Laserdiode und Photodiode wird das maximale Signal des Photostromes in der Photodiode eingestellt. Dieses Verfahren ist aber nicht für die Justierung von optischen Bauelementen zwecks Strahlformung von Halbleiterstrahlungsemittern geeignet, die eine extrem hohe Laserleistung aufweisen.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für ein Verfahren und eine Anordnung zur Justierung von optischen Bauelementen zwecks Strahlformung von Halbleiterstrahlungsemittern, die eine extrem hohe Laserleistung aufweisen, anzugeben, die technisch weniger aufwändig im Vergleich zum Stand der Technik und sicherer in ihrer Handhabung ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren zur Justierung von Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemittern zugeordneten optischen Bauelementen zwecks Strahlformung die Verfahrensschritte

  • – Anordnen des zu justierenden, dem Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter zugeordneten optischen Bauelements, des Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitters und einer Lichtquelle auf einer gemeinsamen optischen Achse derart, dass das von der Lichtquelle ausgesendete Licht durch das optische Bauelement auf den Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter trifft,
  • – Betreiben des Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitters als Photodetektor und Messen des Photosignals, das an Stromzuführungskontakten des Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitters entnommen wird, und
  • – Feinjustieren des optischen Bauelements und des als Photodetektor betriebenen Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitters derart, dass das gemessene Photosignal maximal ist, umfasst.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Justierung von Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemittern zugeordneten optischen Bauelementen zwecks Strahlformung weist eine Lichtquelle, ein zu justierendes optisches Bauelement und einen als Photodetektor betriebenen Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter, wobei diese Komponenten auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind und die Lichtquelle durch das zu justierende, dem Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter zugeordnete optische Bauelement Licht einstrahlt und ein Photosignal in dem als Photodetektor betriebenen Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter entsteht, und Mittel zur Messung des Photosignals auf.

In Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, als Lichtquelle eine Lichtemitterdiode, einen Laser oder eine Lampe und als Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter einen Halbleiterlaser oder eine Lichtemitterdiode einzusetzen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter während der Justierung der optischen Komponente nicht aktiv betrieben, d.h. es ist keine Laserstromversorgung erforderlich. Somit entfällt auch das Risiko einer unerwünschten Auslenkung des Laserstrahls. Die Notwendigkeit der Strahlbeobachtung mittels eines aufwändigen Kamerasystems entfällt ebenso wie die Notwendigkeit der Kühlung oder Temperaturstabilisierung des Laserbauelements. Die Optimierung der Abbildung des Laserstrahls erfolgt in der erfindungsgemäßen Lösung durch die Maximierung eines Photosignals, also einer skalaren Messgröße, was insbesondere für eine Automatisierung des Prozesses vorteilhaft ist. Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann man von einer quasiaktiven Justierung sprechen. Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders für die Justierung von Laserbauelementen mit hoher Leistung geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

1 eine Anordnung für eine aktive Justierung gemäß dem Stand der Technik;

2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.

Die 1 zeigt eine Anordnung für eine aktive Justierung von Laserbauelement und Mikrolinse, wie sie bereits in LASER FOCUS WORLD February 1993, pp. 97–100 beschrieben wurde. Das zu justierende optische Bauelement 3 wird mit einer Vorrichtung gezielt bewegt, es wird dabei die Abbildung der Strahlung eines Diodenlasers 1, der auf einer Wärmesenke 2 angeordnet ist, in einer Beobachtungsebene 6 (z.B. Kamera, vor der sich eine Abbildungsoptik 4 befindet) beobachtet. Entspricht die Abbildung in der Beobachtungsebene 6 den Anforderungen, dann wird das optische Bauelement 3, beispielsweise eine Mikrolinse, fixiert und der Justiervorgang ist beendet. Für die aktive Justierung ist eine Laserstromversorgung 5 notwendig.

In 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Die erfindungsgemäße Anordnung enthält ebenfalls einen auf einer Wärmesenke 2 angeordneten Diodenlaser 1. Es sei hier angemerkt, dass die Wärmesenke 2 in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in der Regel nicht notwendig ist. Das zu justierende optische Bauelement 3, vor dem noch eine Abbildungsoptik 4 angeordnet ist, ist auch hier beweglich vor dem Laser 1 angeordnet. Der Diodenlaser 1 ist in der erfindungsgemäßen Lösung als Photodiode betrieben, d.h. er wird als Detektor benutzt, während durch das zu justierende optische Bauelement 3 das Licht einer Lichtquelle 8 eingestrahlt wird. Kriterium für die korrekte Realisierung der Justage des optischen Bauelements 3 ist das Maximum des Photosignals, das in dem als Photodiode betriebenen Diodenlaser 1 entsteht und das an dessen Stromzuführungskontakten entnommen und von einem Messgerät 7 aufgezeichnet wird. Nach Empfang des maximalen Photosignals wird das optische Bauelement in der zugehörigen Position fixiert.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Justierung von Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemittern zugeordneten optischen Bauelementen zwecks Strahlformung, umfassend die Verfahrensschritte

    – Anordnen des zu justierenden, dem Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter zugeordneten optischen Bauelements, des Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitters und einer Lichtquelle auf einer gemeinsamen optischen Achse derart, dass das von der Lichtquelle ausgesendete Licht durch das optische Bauelement auf den Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter trifft,

    – Betreiben des Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitters als Photodetektor und Messen des Photosignals, das an Stromzuführungskontakten des Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitters entnommen wird,

    – Feinjustieren des optischen Bauelements und des als Photodetektor betriebenen Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitters derart, dass das gemessene Photosignal maximal ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Lichtemitterdiode oder ein Laser oder eine Lampe als Lichtquelle verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter ein Halbleiterlaser verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter eine Lichtemitterdiode verwendet wird.
  5. Anordnung zur Justierung von Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemittern zugeordneten optischen Bauelementen zwecks Strahlformung, aufweisend eine Lichtquelle (8), ein zu justierendes optisches Bauelement (3) und einen als Photodetektor betriebenen Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter (1), wobei diese Komponenten auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind und die Lichtquelle (8) durch das zu justierende, dem Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter zugeordnete optische Bauelement (3) Licht einstrahlt und ein Photosignal in dem als Photodetektor betriebenen Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter (1) entsteht, und Mittel zur Messung des Photosignals.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Lichtquelle (8) eine Lichtemitterdiode oder ein Laser oder eine Lampe ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 5, bei der der Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter (1) ein Halbleiterlaser ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 5, bei der der Hochleistungs-Halbleiterstrahlungsemitter (1) eine Lichtemitterdiode ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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