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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Lichtquellen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf
Lichtquellen mit Festkörperlaserdioden.
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Laserdioden sind kompakte, robuste,
leistungsfähige
und relativ preiswerte Laserlichtquellen. Es wurde deshalb vorgeschlagen,
in vielen Anwendungen anstelle der früher verwendeten Gaslaser oder
Festkörperlaser
wie etwa Nd:YAG, die groß und nicht
einfach zu transportieren sind, Laserdioden als Lichtenergiequellen
zu verwenden. Solche Anwendungen umfassen in den Körper einpflanzbare
angioplastische Sonden, Behandlungen der Augen, Berührungslaser-Chirurgie
usw.
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Jedoch ist die verfügbare Ausgangsleistung aus
einer einzelnen Laserdiode auf einige Watt begrenzt. Ferner strahlt
jede Diode innerhalb eines relativ großen Kegelwinkels einen länglichen "Steifen" mit einem großen Erstreckungsverhältnis ab.
Der Kegelwinkel, d. h. die numerische Apertur des emittierten Strahls,
ist in der zur langen Achse des Laserstreifens (im folgenden x-Achse
genannt) parallelen Richtung kleiner als in der zur langen Achse
des Laserstreifens senkrechten Richtung (y-Achse).
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Hinsichtlich der Leistungsbegrenzung
einer einzelnen Laserdiode ist es für viele Anwendungen erforderlich,
die Ausgänge
mehrerer Laserdioden zu kombinieren. In einem solchen System muß das Licht aus
mehreren Laserdioden effizient zu einem Zielgebiet übertragen
werden, das gewöhnlich
ein Streckungsverhältnis
besitzt, das kleiner als dasjenige des Laserstreifens ist, und außerdem zur
effizienten Übertragung
von Licht zum Ziel einen bestimmten maximalen Annahmekegelwinkel
oder Annahmeraumwinkel haben kann. Beispielsweise ist bei Anwendungen
wie etwa den angioplastischen Einrichtungen, in denen Lichtenergie
durch eine optische Faser übertragen
wird, das Zielgebiet, d. h. das Ende der Faser, kreisförmig, während der
Raumwinkel in beiden Achsen derselbe ist und der maximalen numerischen
Apertur eines zugehörigen
Strahls, der effizient in die Faser eingespeist werden kann, entspricht.
Ein weiteres Beispiel ist die Behandlung der Netzhaut des Auges,
bei der Lichtenergie über
die Iris auf ein vorbestimmtes Zielgebiet auf der Netzhaut fokussiert
werden muß,
wofür ein
maximaler Annahmeraumwinkel erforderlich ist.
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In der Praxis entstehen Probleme
beim Versuch, Licht aus mehreren Laserdiodenquellen so zu kombinieren,
daß unter
den durch den mit dem Ziel oder eigentlich mit der Übertragungsoptik
der Quelle selbst zusammenhängenden
effizienten Annahmeraumwinkel erzwungenen Bedingungen die erforderliche
Leistung zu einem vorbestimmten Zielgebiet geliefert werden kann.
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Um diesem Problem zu begegnen, gab
es mehrere Lösungen.
Es wurde vorgeschlagen, die Strahlen unter Verwendung eines Polarisationsstrahlenkombinierers
aus zwei Laserdioden zu kombinieren und den kombinierten Strahl
auf das Ende einer optischen Faser zu fokussieren. Es wurde außerdem vorgeschlagen,
den Durchmesser der Faser in einer solchen Anordnung zu minimieren,
indem das Bild des Laserstreifens in seiner langen Erstreckungsrichtung
bis zu einem Punkt, an dem die numerischen Aperturen des kombinierten
Lasers in beiden Dimensionen mit der numerischen Annahmeapertur
der Faser übereinstimmen,
anamorphotisch verkleinert wird. Jedoch ist allen diesen Vorschlä gen gemeinsam,
daß die
maximale Leistung für
jede Faser lediglich derjenigen aus zwei Laserdioden entspricht,
wodurch mehrere solcher Fasern gebündelt werden müssen, um
eine höhere
Leistung zu erzielen. Bei bestimmten Anwendung kann dies angesichts
der Fehlabstimmung der Bild-Ziel-Größe und angesichts der
erforderlichen umfangreichen Faseroptik keine effiziente Lösung sein.
Das Bündeln
mehrerer Fasern in dieser Weise führt außerdem zu einem Helligkeitsverlust
und kann bei hoher Leistung zu einem thermisch hervorgerufenen Schaden
führen.
Es wurde außerdem
vorgeschlagen, Strahlen aus mehreren Lasern mit unterschiedlichen
Wellenlängen
mit Hilfe von wellenlängenselektiven
Spiegel zu kombinieren. Jedoch ist dies in der Praxis insbesondere
aufgrund der extremen Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der
Laserdioden unbefriedigend. Eine weitere Lösung bestand darin, dem Ende
der optischen Fasern eine längliche
Form zu geben, so daß sie
sich dem Laserdiodenstreifen enger anpassen, jedoch sind solche
Fasern in der Herstellung teuer und das Einspeisen von Lichtenergie
in die einzelne Faser nicht besonders effizient.
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Ein nochmals weiterer Versuch, eine
leistungsfähigere
Laserdiodenlichtquelle zu schaffen, kann in US-A-4 905 690 gefunden
werden, nach der Lichtstrahlen aus mehreren Laserdioden so ausgerichtet
werden, daß sie
parallele Achsen haben und durch eine einzige Fokussierungslinse
mit einem zum Umfassen des Mehrfachstrahls ausreichenden Durchmesser
auf ein Zielgebiet fokussiert werden. Ein Beispiel für diese
Technik in ihrer Anwendung auf ein einfaches Bildererzeugungssystem
ist in 1 in einer Ansicht
von oben sowie in einer Ansicht von der Seite gezeigt. Das System
enthält
eine Kollimierungslinse 1 und eine Fokussierungslinse 2 mit
den Brennpunktsabständen
f1 bzw. f2 und wird häufig dazu
verwendet, eine einzelne Laserdiode durch Fokussieren eines Bildes 3 des Laseremmissionsstreifens 4 auf
das Ende der Faser mit einer optischen Faser zu koppeln. Der Streifen 4 hat
eine lange Erstreckungsrichtung a in der x-Achse und eine kurze
Erstreckungsrichtung b in der y-Achse, wobei er durch die Linsen
in beiden Achsrichtungen um einen Faktor f2/f1 verstärkt wird.
Der Durchmesser des ausgerichteten Strahls 5a einer Laserdiode
in der y-Achse beträgt
aufgrund der Differenz zwischen den numerischen Aperturen des Sendestrahls
in den beiden Achsrichtungen gewöhnlich
das Dreifache von demjenigen in der x-Achse. Deshalb und in Übereinstimmung
mit US-A-4 905 690 können
zwei weitere parallele Strahlen 5b, 5c (die in
Richtung der x-Achse gestapelt sind) im wesentlichen innerhalb der
Apertur der Fokussierungslinse 2 angeordnet werden. Dadurch
erhöht
sich die Leistung und die Intensität des Bildes um den Faktor 3.
Wenn jedoch mehr Leistung erforderlich ist und die Anordnung deshalb
erweitert wird, um mehr als drei Strahlen zu umfassen, entstehen
Probleme, weil der Durchmesser der Fokussierungslinse vergrößert werden
muß, um
die zusätzlichen
Strahlen zu umfassen (was in 2 durch
fünf Strahlen
dargestellt wird), wobei, wenn dieselbe numerische Apertur des fokussierten
Strahls beibehalten werden muß,
so daß sie
zur Vermeidung eines Leistungsverlustes kleiner oder gleich der
numerischen Apertur der Faser ist, der Brennpunktsabstand der Fokussierungslinse
direkt proportional zum erweiterten Durchmesser vergrößert werden
muß. Dieser
(um einen Faktor von 5/3 im Fall von 2)
vergrößerte Brennpunktsabstand
erhöht
die Vergrößerung der
Streifenbilder um denselben Faktor, so daß die Größe des Bildes im selben Verhältnis zunimmt, obwohl
die Leistung abgenommen hat. Dies führt zu einem Leistungsverlust,
wenn das Bild so stark vergrößert wird,
daß es
größer als
das Zielgebiet, d. h. der Durchmesser des Faserendes, ist.
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In "Scalable, end-pumped, diode-laser-pumped
laser" (Optics Letters,
Bd. 14, Nr. 19, 1. Oktober 1989 und in "Pump Source Requirements für End-Pump
Lasers" (IEEE Journal
of Quantum Electronics, Bd. 26, Nr. 2, Februar 1990) lehren Fan
u. a. ein Laserdiodensystem zum Pumpen von Nd:YAG-Lasern (siehe 3), bei dem mehrere parallele
Laserdiodenstrahlen 6a, 6b, 6c (die in
der y-Achse, anstatt in der x-Achse gestapelt sind) durch ein einziges
Paar von gekreuzten zylindrischen Linsen (6, 7),
wovon jede unabhängig
in zueinander senkrechte Ebenen (xz-Ebene bzw. yz-Ebene) fokussiert,
in ein Verstärkungsmedium
des Nd:YAG-Lasers fokussiert werden. Dies ermöglicht eine unabhängige Optimierung
der Brennpunktsabstände
(f3, f4) der Fokussierungslinsen in den zwei Achsen. Deshalb kann
die kritischere lange x-Dimension des Bildes 3 im Rahmen
der Eigenschaften der Quelle und der Kollimierungslinse und der
numerischen Apertur des fokussierten Strahls durch entsprechende
Wahl des Brennpunktabstandes f3 der zylindrischen Linse 6, die
in diese Achse fokussiert, z. B. so, daß die Größe des Bildes 3 das
Zielgebiet in der x-Richtung nicht überschreitet, optimiert werden.
In der weniger kritischen kurzen y-Dimension des Bildes 3 darf
die Aperturgröße ansteigen,
um mehrere Strahlen unterzubringen. Dies erfordert wiederum eine
Vergrößerung des
Brennpunktabstandes f4 der Linse 7, um zur Vermeidung eines
Leistungsverlustes die numerische Apertur des fokussierten Strahls
kleiner oder gleich derjenigen der Faser zu halten. Diese Vergrößerung des
Brennpunktabstandes bewirkt wiederum eine Vergrößerung jedes Bildes in der
y-Dimension und eine Verkleinerung der numerischen Aperturen jedes
Strahls in der y-Achse, so daß mehr
Strahlen in den Annahmekegelwinkel des Ziels passen. In dieser Weise
und anders als im US-A-4.905.690-System kann, wenn dieses System
erweitert wird, so daß die Anzahl
der auf das Zielgebiet fokussierten Strahlen ansteigt, die numerische
Apertur des fokussierten Strahls beibehalten werden, wobei die Vergrößerung des
Bildes nur in der weniger kritischen kurzen x-Achse, anstatt in
der langen x-Achse verstärkt
werden muß.
Deshalb ermöglicht
dieses System, daß höhere Leistungen
als bei der US-A-4.905.690 in einen gegebenen Faserdurchmesser eingespeist
werden können.
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Dieses System besitzt jedoch mehrere Nachteile.
Erstens sind für
fokussierte Strahlen mit angemessenen numerischen Aperturen komplexe zylindrische
Mehrfachelement-Linsen
oder zylindrische asphärische
Linsen erforderlich, um die optischen Aberrationen auf ein annehmbares
Maß zu
reduzieren und die Aberrationen in der Abbildung in der y-Achse,
die durch den Zylinder in der x-Achse hervorgerufen werden, zu kompensieren.
Darüber
hinaus ist die Herstellung von zylindrischen Mehrfachelement-Linsen
oder zylindrischen asphärischen
Linsen nicht trivial und in der optischen Industrie nahezu unbekannt,
wohingegen die symmetrischen Mehrfachelement-Linsen oder symmetrischen
asphärischen Linsen
in der optischen Industrie Standardpraxis sind.
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Zweitens muß die Aperturgröße der in
der y-Achse fokussierenden Zylinder, um eine angemessene Anzahl
von Strahlen zu kombinieren, sehr groß werden. Um für die fokussierten
Strahlen in der y-Achse dieselbe numerische Apertur beizubehalten, muß deshalb
der Brennpunktsabstand des fokussierenden Zylinders in der y-Achse
außerdem
proportional zur Anzahl der Strahlen ansteigen, was bedeutet, daß der Abstand
zwischen den Dioden und dem fokussierenden Zylinder in der x-Achse
entsprechend groß wird.
Dies verursacht das Problem einer starken Divergenz der Strahlen über eine
solche Strecke in der x-Richtung. Als Beispiel kombinieren Fan u.
a. 3 Dioden mit Hilfe einer zylindrischen Linse mit einer Apertur
von 25 mm und einem Brennpunktsabstand von 150 mm zur Fokussierung
in der y-Achse. Wenn dieses Beispiel unter ähnlichen Bedin gungen auf 16 Strahlen
erweitert würde,
würden
die Linse auf 155 mm und deren Brennpunktsabstand auf nahezu einen
Meter (930 mm) anwachsen. In der orthogonalen (x-Achse) Ebene würde die
ursprüngliche
Brennweite von 20 mm noch immer benötigt werden. Weil diese Linse
nun jedoch mehr als 910 mm von den Dioden entfernt ist, würde die
Divergenz von 25 mrad des ausgerichteten Strahls in dieser Achse
(die von der Abmessung der Quelle in dieser Achse herrührt) zu
einer Erweiterung in der Strahlabmessung an der Linsenapertur von
4 mm im Fall, den sie in ihrer Publikation dargestellt haben, auf
30 mm führen,
d. h. die numerische Apertur des fokussierten Strahls in dieser
Achse hätte
sich von 0,1 NA auf 0,6 NA erweitert. Für ihre Demonstration benutzten
Fan u. a. Quellen mit einer Kollimierungslinse mit einer Streifenabmessung
in der x-Achse von 100 um und einem Brennpunktsabstand von 4 mm,
was die Basis für
die obige Divergenzberechnung war. Als stärkere Leistungsquellen wären üblicherweise
200- oder 500-μm-Quellen
erforderlich, wodurch sich das Divergenzproblem um den Faktor 2
bzw. 5 vergrößern würde.
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Andere Hochleistungslaserquellen
sind aus
EP 0 310 711
A und aus Appl. Phys. Lett. 51(16), 19. Okt. 1987, S. 1212–1214 bekannt.
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Die vorliegende Erfindung beabsichtigt
ein Beseitigen der oben genannten Probleme und sieht, aus einem
Aspekt gesehen, eine Lichtquelle gemäß Anspruch 1 vor.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung überlappen
die Bilder der Streifenquellen vorzugsweise einander innerhalb des
Zielgebietes, obwohl in Betracht kommen könnte, nicht überlappende
Bilder vorzusehen, falls dies die Zielgebietsabmessungen für die geforderte
Anzahl von Bildern erlauben.
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Bei einer solchen Anordnung kann
die Anzahl von Lichtstrahlen, die effizient innerhalb eines bestimmten
Annahmeraumwinkels auf ein Zielgebiet wie etwa das Ende eines Lichtleitfaserkabels
gerichtet werden können,
in einer der in 3 gezeigten Anordnung
von Fan u. a. vergleichbaren Weise erhöht werden.
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Dies gilt unter der Voraussetzung,
daß das Zielgebiet
ein kleineres Erstreckungsverhältnis
als dasjenige der Quelle, z. B. der Laserstreifen, besitzt, da dann,
wenn dies der Fall ist, die Vergrößerung des Bildes jedes Laserstreifens
in der Dickenrichtung in bezug auf die Längsrichtung erhöht werden
kann, die nach dem Helligkeitstheorem in der y-Achse zu einer entsprechenden
relativen Verkleinerung der numerischen Apertur jedes auf das Zielgebiet
fokussierten Strahls führt.
Diese relative Verkleinerung der numerischen Apertur ermöglicht ein
entsprechendes Erhöhen
der Anzahl von Strahlen, die in dem Annahmeraumwinkel des Ziels
aufgenommen werden können, ohne
daß die
Strahlen überlappen,
was dem Fall in der in 3 gezeigten
Anordnung von Fan u. a. vergleichbar ist.
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Anders als in dem System von Fan
u. a. trennt die vorliegende Erfindung jedoch die anamorphotischen
Mittel des optischen Systems von den Fokussierungsmitteln, so daß eine preiswerte
und ohne weiteres verfügbare
symmetrische Linse als Fokussierungseinrichtung verwendet werden
kann (selbstverständlich
wird die Allgemeingültigkeit
der Erfindung nicht berührt,
falls die Fokussierungseinrichtung einen gewissen Grad von Asymmetrie
aufweist).
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Darüber hinaus kann der Abstand
zwischen den Kollimierungsmitteln und den Fokussierungsmitteln relativ
klein gehalten werden, selbst wenn der Brennpunktsabstand der Fokussierungsmittel
groß ist,
wodurch jegliche Divergenz effekte in den kollimierten Strahlen minimiert
werden (die oben angeführten
16-Strahlen-Anordnung, die sich auf das System von Fan u. a. bezieht,
kann durch ein mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmendes System, im Vergleich
zu einem Abstand von nahezu 1000 mm zwischen der Quelle und dem
in der x-Achse fokussierenden Zylinder beim System von Fan, bei
einem Abstand von weniger als 100 mm zwischen den Steifenlichtquellen
(z. B. den Laserdioden) und den Fokussierungsmitteln erreicht werden.
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Die anamorphotischen Strahlformungsmittel dienen
zur Vergrößerung des
Verhältnisses
zwischen der x-Achsendimension und der y-Achsendimension des kollimierten
Strahls, wobei dies durch die Vergrößerung der Breite der Strahlen
in der x-Achse, durch die Verkleinerung der Breite der Strahlen
in der y-Achse oder durch die Kombination von beidem erreicht werden
kann. Wenn die Strahlformungsmittel die Breite des Strahls in der
y-Achse reduziert, dann besteht ein weiterer Vorteil gegenüber dem
System von Fan u. a. darin, daß die
Aperturgröße und der Brennpunktsabstand
der Fokussierungsmittel bei steigender Anzahl von kombinierten Strahlen
nicht wesentlich größer werden
müssen,
da anstatt einer Vergrößerung der
Linsenapertur, wenn mehr Strahlen verwendet werden, die Breite der
Strahlen in der y-Achse weiter reduziert werden kann (dies führt natürlich zu
einem in der y-Achse fetteren Bild, was jedoch für die meisten Anwendungen nicht
kritisch ist). Dadurch kann das System selbst bei einer großen Anzahl
von Strahlen praktisch und kompakt bleiben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
formen die Strahlformungsmittel die Strahlen anamorphotisch, um
Strahlen mit einem im wesentlichen elliptischen Querschnitt, deren
Hauptachse in ihrer x-Achse liegen, zu erzeugen. Vorzugsweise wird
dies durch Vergrößerung der
Breite der kolli mierten Strahlen in ihrer x-Achse erreicht.
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Die maximale Anzahl von Strahlen,
die bei einer bestimmten Zielgröße und einem
bestimmten Annahmewinkel kombiniert werden kann, ist annähernd (d.
h. bis zur ersten Ordnung) proportional zum anamorphotischen Verhältnis A
zwischen der Vergrößerung des
Streifens in der langen Erstreckungsrichtung und der Vergrößerung des
Streifens in der kurzen Erstreckungsrichtung.
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Folglich kann für jedes bestimmte Zielgebiet wie
etwa das Ende eines Lichtleitfaserkabels die Vergrößerung Mx
jeder Streifenquelle in ihrer langen Erstreckungsrichtung so gewählt werden,
daß die
entsprechende Länge
des auf dem Ziel erzeugten überlappenden
Bildes mit der Größe des Ziels,
d. h. dem Kerndurchmesser des Lichtleitfaserkabels, abgestimmt ist.
Das anamorphotische Verhältnis
A kann dann so gewählt
werden, daß es
größer als
das Verhältnis
(A min) ist, das die Kombination einer geforderten Anzahl N von
Strahlen (unter Berücksichtigung
der Leistungsanforderungen) innerhalb des Annahmeraumwinkels des
Ziels ohne ein wesentliches Überlappen
der Strahlen erlaubt, jedoch kleiner als ein Maximalwert (A max)
ist, bei dem die Vergrößerung My
jedes Streifens in der kurzen Erstreckungsrichtung bewirken würde, daß das Bild
des Laserstreifens in der entsprechenden Dickenrichtung die Größe des Ziels
in jener Richtung überschreiten
würde (was
zu einem Leistungsverlust führen
würde).
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Somit ergibt sich für jeden
bestimmten Wert von Mx Amax = Ty/(MxSy),wobei
TY = Zielgröße in der
Richtung der Bilderstreckungsrichtung, welche der kurzen Erstreckungsrichtung
der streifenförmigen
Quelle entspricht,
Sy = Breite der Streifenquelle in ihrer
kurzen Erstreckungsrichtung.
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Es läßt sich außerdem zeigen, daß Amin = NΘ/(δ·Mx2ϕ),wobei N = Anzahl der zu
kombinierenden Strahlen (angesichts eines Leistungsbedarfs)
Θ = Emissionsraumwinkel
des Streifens,
ϕ = Annahmeraumwinkel des Ziels,
δ = maximaler
praktikabler Strahlpackungsanteil, d. h. der Anteil des Raumwinkels φ, der für einen
bestimmten Wert von N von den streifenförmigen Quellenstrahlen belegt
wird,
Mx = Vergrößerung der
Streifenquelle in der langen Erstreckungsrichtung.
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Das anamorphotische Verhältnis ist
vorzugsweise für
jede Lichtquelle, z. B. jede Laserdiode, dasselbe, kann jedoch innerhalb
den Grenzen von A min und A max unterschiedlich sein. Einzelne Quellen können sogar
anamorphotische Verhältnisse,
die kleiner als A min sind, aufweisen, wenn vorgesehen ist, diese
durch andere Quellen mit einem anamorphotischen Verhältnis, das
entsprechend größer als A
min ist, zu kompensieren.
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Gemäß der Erfindung kann das Licht
im Vergleich zu den Systemen im Stand der Technik aus einer größeren Anzahl
von Lichtquellen wie etwa Laserdioden effizient in ein Zielgebiet
mit einem bestimmten Annahmeraumwinkel wie etwa ein Lichtleitfaserkabel
oder die Retina des Auges eingespeist werden, ohne umfangreiche
Lichtleitfaserkabelbündel
und komplexe Lichtleitfaserelemente oder Linsen zu erfordern und
ohne verschiedenartige Wellenlängen
mit einer entsprechenden Wellenlängensteuerung
zu erfordern. Der letzte Punkt ist besonders wichtig, weil er erforder lich
sein kann, um ein wellenlängensektives
Ziel, beispielsweise beim Pumpen eines Nd:YAG-Laserstabes, dessen
Anwendung natürlich
durch die Erfindung abgedeckt ist, zu bestrahlen.
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Die anamorphotischen Abbildungsmittel
können
verschiedene Formen annehmen. In einer Ausführungsform umfassen die Abbildungsmittel
Kollimierungsmittel für
jeden Laserstrahl, eine oder mehrere anamorphotische Strahlformungsmittel,
die stromabwärts
der Kollimierungsmittel angeordnet sind, und eine im wesentlichen
einzelne im allgemeinen symmetrische Fokussierungslinse zur Bildung der überlappenden
Bilder der Laserstreifen. Die anamorphotischen Strahlformungsmittel
können
ein Prismenpaar oder ein zylindrisches Teleskop aufweisen und können so
angeordnet sein, daß sie
die Breite des Strahls in der y-Richtung verkleinern und/oder die
Breite des Strahls in der x-Richtung vergrößern. Die anamorphotische Strahlformungsoptik
dieses oder eines anderen Typs zur Verwendung mit Quellen wie etwa
Laserdioden sind im Stand der Technik bekannt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung enthält
Mittel stromaufwärts
der Fokussierungslinse zur Schaffung eines enggepackten Bündels nicht
zusammenfallender Strahlen, die die Fokussierungslinse schneiden
und dadurch auf das Zielgebiet fokussiert werden. Eine Ausführungsform
der Bündelungsmittel
enthält
eine symmetrische Anordnung (Matrix) von Spiegeln, die entlang der
zentralen optischen Achse der Fokussierungslinse ausgerichtet werden
können
und so angeordnet sind, daß sie
zugehörige
Strahlen wagenradartig einfangen und diese entlang der optischen
Achse in einem enggepackten nichtkoinzidenten Bündel reflektieren.
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Das Strahlenbündel muß natürlich nicht auf die obener wähnte Wagenradanordnung
beschränkt sein,
sondern könnte
eine beliebige Form annehmen. Beispielsweise könnten die anamorphotisch geformten
Strahlen in einer linearen Anordnung wie etwa in einer 4 × 2-Matrix
gestapelt sein. Dies kann beispielsweise durch eine Anordnung der
Strahlformungsmittel jedes Strahls in versetzter Weise hintereinander geschehen,
so daß die
Stahlen durch die davorliegenden Strahlformungsmittel nicht blockiert
werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist jeder Strahl, der auf das Zielgebiet fokussiert wird, selbst
aus koinzidenten Strahlen aus einer oder mehreren Laserdioden, die
durch polarisierende und/oder dichroitische Strahlenkombinierer
kombiniert werden, gebildet. In dieser Weise entspricht die verfügbare Leistung
für eine
Anzahl N von auf das Zielgebiet fokussierten Strahlen 2N Laserdioden,
wenn lediglich Polarisationsstrahlenkombinierer verwendet werden,
und einer noch höheren
Leistung, wenn dichroitische Strahlenkombinierer verwendet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist außerdem
eine Quelle sichtbaren Lichts durch die Fokussierungsmittel auf
das Zielgebiet vorgesehen. Eine solche Quelle sichtbaren Lichts
ist zweckmäßig, wenn
die Quelle beispielsweise in einer angioplastischen Einrichtung
verwendet wird, wobei in diesem Fall die sichtbaren Strahlen leicht
auf das Ziel gerichtet werden können.
Der Strahl der Quelle sichtbaren Lichts muß nicht dieselben Eigenschaften wie
andere Lichtquellen besitzen und muß nicht anamorphotisch vergrößert werden.
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Die Erfindung wurde insbesondere
in bezug auf die Laserdiodenquellen beschrieben. Jedoch kann es
sie auf andere Lichtquellen mit im Ausgangserstreckungsverhältnis und
in der numerischen Apertur einer Laserdiode ähnlichen Merkmalen angewandt
werden.
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Im folgenden werden lediglich beispielhaft und
mit Bezug auf die begleitende Zeichnung Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben, wobei in der Zeichnung:
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1 eine
schematische Darstellung sowohl der langen Achse als auch der kurzen
Achse der Streifen eines Systems im Stand der Technik zur Fokussierung
von drei Laserdiodenstrahlen in eine optische Faser ist,
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2 eine
schematische Darstellung in beiden Achsen eines System ist, das
demjenigen aus 1 ähnlich ist,
jedoch fünf
Strahlen umfaßt,
die in eine Faser fokussiert werden,
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3 eine
schematische Darstellung in beiden Achsen eines System im Stand
der Technik zur Kombination einer Anzahl von in einen Nd:YAG-Laser
zu pumpenden Laserdiodenstrahlen ist,
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4 Mittel
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum anamorphotischen Formen und Kombinieren der Strahlen
aus zwei Laserdioden zeigt, wie sie in Richtung der kurzen Achse
der Laserstreifen (y-Achse) gesehen werden,
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5 die
Anordnung aus 1 zeigt,
wie sie in Richtung der langen Achse der Laserstreifen (x-Achse)
gesehen wird,
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die 6a und 6b als Aufriß bzw. als
Querschnitt Ansichten einer Einrichtung zur Bündelung von sieben kombinierten
Lichtstrahlen, die von in den 4 und 5 gezeigten entsprechenden
Strahlformungs- und Kombinierungsmittel erzeugt wurden, sind,
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die 7a und 7b schematisch das Strahlenbündel zeigt, wie
es auf eine Fokussierungslinse auftrifft und von dieser auf das
Ende eines Lichtleitfaserkabels fokussiert wird, um überlappende
Bilder der Laserstreifen zu erzeugen,
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8 eine
schematische Darstellung sowohl der langen als auch der kurzen Achse
der Laserstreifen einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist, bei der drei Strahlen kombiniert werden,
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9 eine
der 8 ähnliche
Darstellung ist, wobei in diesem Fall jedoch fünf Strahlen kombiniert werden,
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10 ein
Seitenriß als
Schnittansicht einer Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist,
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11 ein
Aufriß als
Schnittansicht der Vorrichtung aus 10 ist,
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12 ein
Grundriß einer
Grundplatte der Vorrichtung aus 10 ist,
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13 ein
Aufriß der
Vorrichtung aus 10 ist
und
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14 eine
Draufsicht der Vorrichtung aus 10 ist.
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Wenn zuerst auf die (nicht maßstäblichen) 4 und 5 Bezug genommen wird, so besitzt ein Paar
von Laserdioden Laserquellenstreifen 8 der Dimension Sx
in der langen Erstreckungsrichtung und der Dimension Sy in der Dickenrichtung.
Die Quellen erzeugen jeweils einen divergierenden Strahl 9,
dessen numerische Apertur in der y-Achse größer als in der x-Achse ist.
Jeder Strahl wird durch eine Kollimierungslinse 10 ausgerichtet,
um einen Strahl 11 zu erzeugen, der einen ovalen Querschnitt
mit den äußeren Dimensionen
Bx und By besitzt, wobei By aufgrund der Differenz der numerischen
Apertur der Quelle in den zwei Richtungen, wie beschrieben wurde,
um ungefähr
den Faktor 3 größer als
Bx ist (die 4 und 5 sind diesbezüglich nicht
maßstabsgetreu).
Stromabwärts
von den Kollimierungslinsen 10 sind jeweils anamorphotische
Prismenpaare 12, die die Strahlen 11 in der x-Richtung
um einen Faktor verbreitern, der dem anamorphotischen Verhältnis A entspricht,
die jedoch keine Auswirkung auf die Dicke des Strahls in der y-Richtung
haben. Selbstverständlich
führt dieses
relative Verbreitern der Dicke des Strahls zu einer entsprechenden
Vergrößerung des x-Achsen-Durchmessers
des Bildes jedes Streifens in Bezug auf seinen y-Achsen-Durchmesser
um den Faktor A, die durch die weiter unten besprochene stromabwärtige Fokussierungslinse
bewirkt wird. In dem gezeigten Beispiel beträgt das anamorphotische Verhältnis A
drei, so daß der
Querschnitt des Strahls stromabwärts
des anamorphotischen Prismenpaars nahezu kreisförmig ist.
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Nach dem Durchlaufen der anamorphotischen
Prismenpaare 12 werden die Strahlen 11 mit Hilfe
eines Polarisationsstrahlenkombinierers kombiniert. Dieser umfaßt einen
Kombinationswürfel 13, der
aus zwei Prismen gebildet ist, deren jeweilige Hypothenusen sich
berühren,
wobei die Schnittfläche 14 zwischen
den Prismen mit einer dielektrischen Beschichtung versehen ist,
so daß sie
Licht übertragen, das
P-polarisiert ist, jedoch Licht reflektieren, das S-polarisiert
ist. Die von den Laserdioden emittierten Lichtstrahlen sind beide
P-polarisiert, weshalb ein Lamda-Halbe-Plättchen 15 im Pfad
des in 4 gezeigten oberen
Strahls angeordnet ist, der durch ein weiteres Prisma 16 um 90° auf die
beschichtete Schnittfläche 14 und
dadurch auf einen Pfad umgelenkt wird, der mit dem anderen Strahl,
der durch die Schnittfläche 14 geht,
koaxial ist (das Lamda-Halbe-Plättchen 15 dreht
die Polarisation des oberen Strahls um 90°). Somit wird ein kombinierter
Strahl 16 erzeugt.
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Die gezeigte Ausführungsform der Erfindung enthält sieben
Strahlformungs- und Kombinierungsanordnungen der in den 4 und 5 gezeigten Art. Sechs von diesen sind
in einer radialen Anordnung angeordnet, so daß die kombinierten Strahlen 16 wagenradartig
auf einen in den 6a und 6b gezeigten Bündelungsspiegel 17 projiziert
werden. Der Bündelungsspiegel 17 enthält eine
symmetrische Matrix aus reflektierenden Oberflächen 18, die so angeordnet
sind, daß jeder
der Strahlen 16 reflektiert wird, um ein enggepacktes,
nichtkoinzidentes Strahlenbündel
zu bilden, wie es in 7b gezeigt
wird. Der Bündelungsspiegel 17 weist
eine zentrale Apertur 19 auf, womit der kombinierte Strahl 16 von
einer siebten Strahlformungs- und Kombinierungsanordnung in Richtung
der zentralen Achse des Bündels gelenkt
werden kann.
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Wie in den 7a und 7b gezeigt
wird, wird das Strahlenbündel
auf eine Fokussierungslinse 20 gerichtet, wodurch jeder
Strahl auf das Ende einer optischen Faser oder auf ein anderes Zielgebiet
T mit den Dimensionen Tx und Ty fokussiert wird, wobei auf dem Zielgebiet
ein Bild 21 mit den Dimensionen Ix und Iy erzeugt wird,
das aus überlappenden
Bilder sämtlicher
Laserstreifen besteht. Wie oben beschrieben wurde, ist die maximale
Anzahl N von Strahlen, die in dieser Weise effizient kombiniert
werden können,
ohne daß sich
die Strahlen schneiden, für
einen bestimmten Durchmesser des Ziels und einen bestimmten Annahmeraumwinkel
proportional zum anamorphotischen Verhältnis A zwischen der Vergrößerung in
der x-Achse und der Vergrößerung in
der y-Achse. Für
jede bestimmte Größe des Ziels
ist die geeignete Vergrößerung in
der x-Achse diejenige, bei der die Länge des Bildstreifens Ix mit
der Dimension Tx des Ziels übereinstimmt.
Die Gesamtvergröße rung hängt von
dem anamorphotischen Verhältnis
A und vom relativen Brennpunktsabständen der Kollimierungs- und
Fokussierungslinsen 10, 20 ab. Die Vergrößerung in
der y-Achse kann bis zu einem Punkt, an dem die Bilddicke Ty zu
groß für die bestimmte
Zieldimension Ty wird, d. h. bis zu einem Punkt, an dem infolge
dessen, daß das
Bild das Ziel nicht vollständig
schneidet, ein wesentlicher Leistungsverlust auftritt, größer als
die Vergrößerung in der
x-Achse sein. Das Erhöhen
der zulässigen
maximalen Anzahl von Strahlen ist ein Funktion der Verkleinerung
der numerischen Apertur in der y-Achse jedes Strahls, der auf das
Zielgebiet fokussiert wird.
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In der obigen Ausführungsform
wurden die kollimierten Strahlen so geformt, daß sie einen annähernd kreisförmigen Querschnitt
haben. Dies ist selbstverständlich
nicht einschränkend
gedacht, denn in einer Anzahl von Anordnungen, die auf die Praxis
zugeschnitten sind, ist der Strahl tatsächlich als Ellipse ausgebildet,
deren Hauptachse in der x-Achse liegt. Dies wird für die obige
Ausführungsform
vorzugsweise durch Verbreitern des kollimierten Strahls in der x-Achse
um das Vierfache erreicht.
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Ferner ist in der obigen Ausführungsform
das anamorphotische Prisma so angeordnet, daß der Querschnitt des Strahls
in der x-Achse vergrößert wird,
wodurch sie die durch die Linsen 10, 20 hervorgerufene
Vergrößerung in
der x-Achse abschwächt, während sie
die Vergrößerung in
der y-Achse nicht beeinflußt.
In einer alternativen Ausführungsform können die
anamorphotischen Prismen stattdessen so angeordnet sein, daß sie den
Querschnitt des Strahls in der y-Achse verkleinern, wodurch sie
die Bildvergrößerung in
dieser Richtung verstärken.
Bei einer solchen Anordnung, bei der das anamorphotische Verhältnis und
die Größe des Ziels
die gleichen wie diejenigen sind, die in der dargestellten Ausführungsform
gezeigt werden, würde
der Brennpunktsabstand der Fokussierungslinse um den Faktor drei reduziert
werden, wodurch die Bildgröße und die
numerische Apertur jedes Strahls 16 auf das Ziel gleich blieben.
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Die 8 und 9 zeigen schematisch weitere Ausführungsformen
der Erfindung, bei denen einerseits die Erstrekkung des kollimierten
Strahls 11 in der x-Achse verlängert ist und andererseits
in der y-Achse verkürzt
ist. In 8 beträgt das anamorphotische
Verhältnis
neun, um die Kombination von drei Strahlen zu erlauben, während in 9 das anamorphotische Verhältnis fünfzehn beträgt, um bei Verwendung
einer Fokussierungslinse derselben Größe wie für drei Strahlen die Kombination
von fünf Strahlen
zu ermöglichen.
Es soll angemerkt werden, daß die
Größe und der
Brennpunktsabstand der Fokussierungslinse 20 und die Größe des Faserdurchmessers
in den zwei Ausführungsformen
von denen in der ersten Ausführungsform
verschieden sind.
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Wenn gefordert wird, drei Strahlen
auf eine Faser mit einem Durchmesser wie in den 8 und 9 zu
fokussieren, indem wie in der ersten Ausführungsform lediglich die Breite
des Strahls in der x-Achse erhöht
wird, müßte die
Fokussierungslinse 20 in der Größe auf das Dreifache angehoben
werden, um die drei Strahlen hinreichend unterzubringen (unter der
Annahme, daß die
Strahlen in einer Linie anstatt in irgendeiner kompakteren Form
angeordnet sind). Dadurch wäre
eine Vergrößerung des
Brennpunktabstandes der Linse 20 um den Faktor drei erforderlich,
damit die numerische Apertur des kombinierten fokussierten Strahls
konstant, d. h. kleiner oder gleich dem Annahmewinkel der Faser,
gehalten wird, um einen Leistungsverlust zu vermeiden, während die
Strahlformungsmittel dann so eingestellt werden müßten, daß die Breite
der kollimierten Strahlen in der x-Achse um einen weite ren Faktor, der
zwischen drei und neun liegt, vergrößert wird, so daß die Gesamtvergrößerung des
Bildes in der x-Achse konstant bliebe.
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In einer noch weiteren Ausführungsform,
deren zugehörige
Vorrichtung in den 10 bis 14 gezeigt wird, werden sechzehn
Strahlen auf das Ende einer Faser fokussiert. Die Strahlen sind
in der x-Achse um den Faktor vier anamorphotisch verbreitert, um
einen Strahl mit einem elliptischen Querschnitt, dessen Hauptachse
in der x-Achse liegt, zu erzeugen, mit Hilfe von Polarisationsstrahlenkombinierern kombiniert
und dann in einer 2 × 4-Matrix angeordnet,
um durch eine Linse auf das Faserende fokussiert zu werden.
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In den 10 bis 14 enthält die Vorrichtung ein Gehäuse 100,
das mit einer Grundfläche 101 verschraubt
ist. Eine 4 × 4-Matrix
aus Laserdiodenmodulen 102 ist innerhalb des Gehäuses 100 auf
der Grundfläche 101 angebracht.
Jedes Modul 102 enthält
eine Laserdiode 103 mit zugehörigen Monitor/Sensor- und Leistungsversorgungsanschlüssen und
eine Kollimierungslinse 104 zur Ausrichtung des Laserstrahls.
Durch Vorsehen eines Moduls 102, das sowohl eine Laserdiode 103 als
auch eine Kollimierungslinse 104 enthält, können die zwei Elemente genau
miteinander ausgerichtet werden, bevor sie auf der Grundplatte angebracht
werden und jede nachfolgende Fehlausrichtung verhindert werden.
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Die Laserdioden 103 sind
SDL – 2460
(Spectra Diode Labs., USA) oder SDL 304 (Sony, Japan) mit
Streifenabmessungen von 200 × 1 μm, numerischen
Aperturen von 0,17 × 0,5
und einer Leistungsabgabe von 1 Watt. Die Kollimierungslinsen sind Olympus
AV-4647-3 mit einer numerischen Apertur von 0,47 und einem Brennpunktsabstand
von 4,6 mm.
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Die Lasermodule 102 sind
in Paaren zusammengefaßt,
wobei über
jedem Paar eine Strahlformungs- und Kombinierungseinheit 105 über Auflagemittel 106 an
den Seitenwänden
des Gehäuses 100 angebracht
ist.
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Jede Einheit 105 enthält zwei
anamorphotische Prismenpaare 107, eines für jeden
Strahl, die aus SF-11-Littrow-Prismen
für 800
nm bestehen, die jeden Strahl um den Faktor 4,0 in der x-Achse verbreitern,
jedoch keine Auswirkung auf die Strahlabmessung in der y-Achse haben.
Jede Einheit 105 enthält
außerdem
Polarisationsstrahlenkombinierermittel 108, die aus Melles-Griot-03PBS062TM bestehen und die Strahlen zusammenfassen.
Die kombinierten Strahlen werden dann von einem Prisma 109,
das ebenfalls Teil der Einheit 105 ist, auf die Fokussierungslinse 110 abgelenkt.
Wie aus den 10 und 11 ersichtlich ist, sind
die vier Einheiten 105 auf jeder Seite des Gehäuses 100 linear
ausgerichtet, jedoch um so höher über ihren
jeweiligen Lasermodulen 102 positioniert, je näher sie
zur Rückseite
des Gehäuse liegen.
Dies schafft auf jeder Seite des Gehäuses 100 eine 1 × 4-Matrix,
so daß eine
2 × 4-Gesamtmatrix
aus Strahlen, die durch die Linse 110 auf die Ausgangsfaser 111 fokussiert
werden, erzeugt wird.
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Die Linse 110 ist ein torisches
Singlett mit einem Brennpunktsabstand von 26 mm, einem Durchmesser
von 30 mm und einer numerischen Apertur von 0,35. Die Faser ist
eine Ensign-Bickford-HCSTM-Faser mit einem
Durchmesser von 400 um und einem Annahmewinkel von 0,37 NA, die
beim Einsetzen in das Gehäuse 100 in
bezug auf die Fokussierungslinse 110 genau positioniert
wird. Zur Sicherheit sind Sensoren 112 vorgesehen, um zu
erfassen, ob die Faser in der richtigen Position ist, und eine Versorgung
der Laserdioden mit Energie zu verhindern, falls die Faser nicht
vorhanden sein sollte (siehe die 10 und
13).
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Eine solche Einrichtung schafft eine
Lichtquelle mit einer Leistungsabgabe von 12,5 W und einer Bildgröße von 300 × 6 μm.
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Damit der gelieferte Strahl durch
die Faser 11 gelenkt werden kann, geht ein Strahl 113 von
einer Laserdiode 114, die sichtbares Licht emittiert, durch einen
Teil der Linse 110, der nicht durch die anderen Strahlen
belegt wird (siehe 11).
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Beispiele
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Beispiel 1
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Von eine Laserdiodenquelle wird gefordert, daß sie 25
W in eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 300 μm, die eine
Annahme von 0,32 NA besitzt, bei Verwendung von 1-W-Laserdiodenquellen
mit Streifenabmessungen von 200 μm × 1 μm und numerischen
Emissionsaperturen in den x- und y-Achsen von 0,17 bzw. 0,5, 25
W einspeist. Unter der Annahme eines optischen Wirkungsgrades von
80 sind 32 Laserdioden erforderlich, wobei die Anzahl N der auf
das Ende des Kabels zu fokussierenden kombinierten Strahlen 16 beträgt. Der
Emissionsraumwinkel beträgt
somit Θ =
0,085, während der
Annahmeraumwinkel des Ziels annähernd ϕ = 0,10
beträgt.
Für einen
gewählten
maximalen Strahlpackungsanteil δ =
0,7, Ty = 300, Sy = 1 und Mx = 1,5 muß das anamorphotische Verhältnis zwischen
8,6 und 200 liegen, wobei die Gleichungen angewandt werden, auf
die oben hingewiesen wurde.
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Für
den Minimalwert von A = 8,6 mißt
das Streifenbild an der Faser 300 μ × 12,9 μm, wobei jeder Strahl ungefähr 4% des
Annahmeraumwinkels der Faser belegt.
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Beim anderen Extrem, wenn A = 200,
mißt das
Streifenbild an der Faser 300 μ × 300 μm, wobei jeder
Strahl nur ungefähr
0,2% des Annahmeraumwinkels belegt. In diesem Fall ist das quadratische Streifenbild
mit dem kreisförmigen
Faserkern nicht gut abgestimmt, so daß dadurch Leistung verloren geht.
Wenn diese Auswirkung bei A = 200 jedoch ignoriert wird, könnten theoretisch
insgesamt 370 Strahlen in die Faser übertragen werden, was einer Maximalleistung
von 580 W entspräche,
wobei jeder Strahl unter Annahme eines optischen Wirkungsgrades
von 80% und eines praktisch maximalen Strahlpackungsanteil von δ = 0,7 einem
kombinierten Strahl entspräche.
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Beispiel 2
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Von einem ophtalmischen Photokoagulator wird
gefordert, daß er
von 0,5-W-Laserdiodenquellen mit Streifen von 100 μm × 1 μm und einer
Strahlemission von 0,17 × 0,5
NA 2 W in eine Ausleuchtzone liefert. Der maximale Annahmewinkel
des Auges beträgt
0,2 NA. Unter der Annahme eines optischen Wirkungsgrades von 70%
sind 6 Dioden erforderlich, die unter Polarisisation zu drei Strahlen
(N = 3) kombiniert werden.
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Für
eine Ausleuchtzone von 100 μm,
Mx = 1, einen Emissionsraumwinkel von Θ = 0,085, einen Annahmeraumwinkel
von ϕ = 0,04 und schließlich für einen gewählten maximalen Packungsanteil
von δ = 0,7
kann das anamorphotische Verhältnis
A zwischen 10 und 100 betragen.
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Für
A = 10 beträgt
die Ausleuchtzone auf der Retina 100 μm × 10 μm.