DE10044522C2 - Optische Anordnung zur Strahlführung - Google Patents
Optische Anordnung zur StrahlführungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur
Strahlführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Anordnung findet beispielsweise Anwen
dung bei der Führung eines Laserstrahls durch ein
Cassegrain-Teleskop in den freien Raum, das bei der
optischen Satellitenkommunikation eingesetzt werden
kann.
Die gezielte Ausbreitung eines Laserstrahls durch ei
ne ringförmige Aperturöffnung mit möglichst geringen
Verlusten erfordert zunächst die Sammlung möglichst
der gesamten Laserenergie in die freie Aperturöff
nung. Weiterhin soll in großer Entfernung eine mög
lichst hohe Intensität mit einem kleinen Divergenz
winkel erzeugt werden. Die ringförmige Intensitäts
verteilung muß sich somit bei der Freiraumausbreitung
nach den Gesetzen der Wellenoptik im Fernfeld in eine
Verteilung mit hoher Intensität im Zentrum umwandeln.
Konische Wellen mit derartigen Eigenschaften sind als
beugungsfreie oder Bessel-Strahlen bekannt.
Es ist bekannt, daß mit Hilfe eines Axicons konische
Wellen und ringförmige Strahlprofile erzeugt werden
können. In US 5 613 965 werden optische Elemente be
schrieben, die aus einer konischen und einer abbil
denden Fläche bestehen. Anwendungsbereich der dort
beschriebenen optischen Anordnung ist die gezielte
Laserablation zur Korrektur der Kornea. US 5 405 659
bezieht sich auf ein Verfahren, bei welchem ein Ring
system mittels eines Facettenaxicons auf ein Target
bei der Laserstrahlbeschichtung eingestrahlt wird.
Bei diesen auf die Materialbearbeitung gerichteten
Systemem ist nur das Ringprofil von Interesse; der
weiteren Ausbreitung der Laserstrahlung wird keine
Aufmerksamkeit geschenkt.
Für die Erzeugung von sogenannten beugungsfreien oder
Bessel-Strahlen sind verschiedene Anordnungen be
kannt. In EP 0 525 801 A2 wird durch ein Hologramm
eine konische Welle erzeugt, aus der ein divergenter
Ringstrahl hervorgeht, welcher von einem zweiten Ho
logramm kollimiert und von einem dritten Hologramm in
einen Bessel-Strahl umgeformt wird. In US 5 583 342
wird für einen Laserscanner eines Fluoreszenzmikros
kops eine optische Anordnung aus zwei gegeneinander
ausgerichteten Axicons beschrieben. Das erste Axicon
erzeugt eine sich konisch ausbreitende Welle. Mit dem
in einem bestimmten Abstand zum ersten Axicon ange
ordneten zweiten Axicon wird ein ringförmiges paral
leles Strahlenbünden erzeugt, das durch eine weitere
optische Einheit in einen Bessel-Strahl fokussiert
wird. Die Anordnung von zwei Axicons gegeneinander
ist besonders kritisch bezüglich der Justieranforderungen
und bezüglich der Stabilität zu bewerten.
Die bekannten technischen Lösungen gehen somit davon
aus, weitgehend parallele Ringstrahlen mit einem wei
teren optischen System so zu fokussieren, daß ein
Bessel-Strahl entsteht. Alternativ werden die Bessel-
Strahlen direkt aus der konischen Welle erzeugt, wo
bei im Nahbereich kein Ringstrahl verfügbar ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine optische Anordnung zur Strahlführung eines La
serstrahls durch eine ringförmige Aperturöffnung, die
in einer im Nahbereich befindlichen ersten Ebene an
geordnet ist, bei gleichzeitiger Erzeugung einer ma
ximalen Intensität im Zentrum einer zweiten, sehr
weit entfernten Ebene, mit einem strahlformenden Ele
ment, das die Laserstrahlung nahezu beugungsbegrenzt
in einen Ring fokussiert, so daß die so erzeugte
ringförmige Intensitätsverteilung in ihren lateralen
Abmessungen der ringförmigen Aperturöffnung in der
ersten Ebene angepaßt ist, zu schaffen, bei der der
Ringstrahl in der ersten Ebene ohne ein weiteres op
tisches System in einen Bessel- oder besselähnlichen
Strahl übergeht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine opti
sche Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge
löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsge
mäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß das strahlformende Element als Ringlinse
oder als mit einer Kollimationsoptik kombiniertes
Axicon ausgebildet ist, und daß der Durchmesser des
auf die Ringlinse oder das Axicon einfallenden Laser
strahls, die durch die Ringlinse oder mit der Kollimationsoptik
kombinierte Axicon realisierte Brennwei
te und der Abstrahlwinkel des Ringstrahls in der er
sten Ebene so optimiert sind, daß eine vorgegebene
Fernfeldverteilung bei maximaler Leistungstransmissi
on erhalten
wird, werden die wellenoptisch begründeten Beu
gungseffekte optimal ausgenutzt, um ein Ergebnis im
Sinne der Aufgabenstellung zu erreichen.
Es wird zunächst die die Linsenwirkung des strahlfor
menden Elements beschreibende Brennweite f so ge
wählt, daß für den als Startparameter gegebenen Gauß
bündeldurchmesser 2w des kollimierten Eingangsbündels
der beugungsbedingte Taillendurchmesser 2w0 an die
vorgegebene freie Öffnung der Ringapertur angepaßt
wird. Dies erfolgt gemäß der Gleichung
w0 = fλ/πw
wobei λ die Wellenlänge des eingestrahlten Laser
lichts darstellt. Auf diese Weise wird im ersten De
signschritt eine optimale Leistungstransmission durch
die ringförmige Aperturöffnung der ersten Ebene er
möglicht.
Bei der Optimierung der Fernfeldintensität werden
dann die Abstrahlwinkel der Zentroide der Ringsegmen
te und die Breite des Ringes des erzeugten Strahlen
bündels geeignet eingestellt, indem die Kombination
von Strahldurchmesser 2w des einfallenden Gaußbün
dels, Brennweite f und Abstrahlwinkel des strahlfor
menden Elements - der die Axiconwirkung des Elements
beschreibt - gemeinsam verändert wird, bis eine opti
male Annäherung an die gewünschte Fernfeldverteilung
bei maximaler Leistungstransmission erreicht ist. Die
Bewertung des Systems erfolgt mit einer Computersimu
lation mittels numerischer Berechnung des Beugungsin
tegrals oder bekannter FFT-Algorithmen (J. Hayes,
"Fast Fourier Transforms and their Applications",
Applied Optics ans Optical Engineering, Band 11, Eds.
R. Shannon and J. Wyant, Academic Press, 1991). Als
Optimierungskriterien dienen die Leistungstransmissi
on des Systems und ausgewählte Parameter - zum Bei
spiel die Divergenz - des Fernfeld, die zu einer ge
eigneten Bewertungsfunktion verknüpft werden. Die ei
gentliche Optimierung kann mittels eines Damped Least
Squares-Algorithmus erfolgen (Gregory K. Hearn, "The
evolution of optimization algorithms", in "Lens De
sign", Ed. W. J. Smith, SPIE Optical Engineering Press
1992).
Zur Veränderung des Bündeldurchmessers des Eingangs
strahls in der Ebene des strahlformenden Elements
können die Brennweite der Kollimatoroptik oder eine
separate Strahlaufweitung verwendet werden. Das
strahlformende Element kann dabei in dem kollimierten
Laserstrahl oder auch im divergenten oder konvergen
ten Laserstrahl angeordnet werden.
Das strahlformende Element ist als asphärisch korri
gierte Ringlinse oder als Axicon in Kombination mit
einer Sammellinse bzw. einer korrigierten Optik aus
geführt. Die Ringlinse erzeugt direkt die geforderten
Intensitätsverteilungen in den beiden beschriebenen
Ebenen. Das Axicon generiert zunächst eine konische
Welle, die durch die Sammellinse in den beugungsbe
grenzten Ringstrahl mit der gewünschten Fernfeldei
genschaft kollimiert wird. Die Ringlinse und das Axi
con können als refraktive Elemente oder als beugungs
optische Phasenelemente wie beispielsweise Fresnel-
Zonenplatten hergestellt werden. Bevorzugte Herstel
lungsverfahren sind Strukturierungsverfahren, wie sie
aus der Mikrooptik bekannt sind. Um eine kompakte
Bauweise zu erreichen, können die Funktionsflächen
der Ringlinse und des Axicons auch beispielsweise auf
eine Fläche einer Linse aufgebracht oder strukturiert
werden, wodurch in bekannter Weise
ein Hybridelement entsteht. Das strahlformende Ele
ment wird vorzugsweise als Transmissionselement be
nutzt, aber auch reflektierende Flächen können zum
Einsatz kommen.
Die durch die erfindungsgemäße Anordnung erzeugte
Ringintensität kann durch nachfolgende optische
Systeme an das Gesamtsystem angepaßt werden. Eine
Vergrößerung bzw. Verkleinerung kann vorzugsweise
durch telezentrische Optiken vorgenommen werden, wo
bei der ursprünglich erzeugte Ring abgebildet wird.
Die Strahlausbreitung vom Ringbild in das geforderte
Fernfeld erfolgt dann ohne Beeinflussung durch weite
re optische Elemente. Bei Verwendung eines Kepler-
Teleskops kann durch Raumfilterung im Brennpunkt der
ersten Linse eine Streulichtminderung vorgenommen
werden. Bei einem bedeutenden Anwendungsfall der er
findungsgemäßen Anordnung wird die Ringintensität da
zu erzeugt, um einen Laserstrahl nahezu verlustfrei
am Sekundärspiegel eines Cassegrain-Teleskops vorbei
zuleiten. Dies ist insbesondere für die optische Sa
tellitenkommunikation von Interesse, bei der Emp
fangs- und Sendekanal gemeinsam über das Cassegrain-
Teleskop geführt werden. Der Sendelaserstrahl muß
nach Passieren des Cassegrain-Teleskops eine maximale
Fernfeldintensität im Gesichtsfeld des Empfängers ha
ben. Vorzugsweise wird für diese Anwendung ein
Nd:YAG-Laser mit der Wellenlänge von 1,06 µn einge
setzt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Fi
guren dargestellten Ausführungsbeispielen näher er
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung mit einer Ringlinse als
strahlformendes Element,
Fig. 2 eine Anordnung mit einer Kombination aus
Axicon und Sammellinse als strahlformendem
Element,
Fig. 3 das Oberflächenprofil des in Fig. 1 verwen
deten strahlformenden Elements,
Fig. 4 die Intensitäts- und Phasenverteilung in ei
nem Abstand von 80 mm hinter dem strahlfor
menden Element nach Fig. 1,
Fig. 5 die Intensitäts- und Phasenverteilung am
Ausgang eines Cassegrain-Teleskops, in wel
chem sich die erste Ebene befindet, bei ei
ner Anordnung nach Fig. 1, und
Fig. 6 die Intensitätsverteilung in 6000 km Entfer
nung von der Anordnung nach Fig. 1.
Gemäß Fig. 1 wird ein beispielsweise aus einer Faser
austretender Laserstrahl 1 durch eine Linse 2 kolli
miert. Im kollimierten Laserstrahl ist eine Ringlinse
3 als strahlformendes Element angeordnet, welche in
einem bestimmten Abstand in der ersten Ebene 4 die
geforderte ringförmige Intensitätsverteilung erzeugt.
Mit einem nachfolgenden Kepler-Teleskop, bestehend
aus den Linsen 5 und 6, wird der Ring vergrößert in
eine neue Ebene 7 abgebildet, die zur Ebene 4 konju
giert ist. In der Ebene 7 kann beispielsweise der Se
kundärspiegel eines Cassegrain-Teleskops (nicht dar
gestellt) angeordnet sein. Eine Blende 8 innerhalb
des Kepler-Teleskops dient als Raumfilter zur Minde
rung von unerwünschtem Streulicht in der Ringebene 7.
In sehr großen Entfernungen 11 bildet sich dann eine
Feldamplitudenverteilung ähnlich der Besselfunktion
J0 der ersten Gattung nullter Ordnung aus. Dieser
Bessel-Strahl breitet sich stabil mit einer im we
sentlichen beugungsbegrenzten Divergenz im Raum aus
mit einer maximalen Intensität im Zentrum der weit
entfernten Ebene 11.
Bei einem konkreten Dimensionierungsbeispiel ist eine
Singlemodefaser mit einer numerischen Apertur von
0,11 bei der Wellenlänge 1064 nm als Quelle für den
Laserstrahl mit einer Ausgangsleistung von 1 W vorge
sehen. Das aus der Faser austretende Bündel wird
durch eine beugungsbegrenzte Optik mit einer Brenn
weite von 5,65 mm kollimiert. dieses kollimierte
Gaußbündel mit einem 1/e2-Durchmesser von 0,625 mm
passiert das strahlformende Element aus Quarzglas mit
einem radialsymmetrischen Oberflächenprofil entspre
chend Fig. 3. Das Profil des Strahlformers kann kon
tinuierlich realisiert oder - wie auch in Fig. 3 an
gedeutet - durch ein binäres Stufenprofil angenähert
werden. Die Herstellung erfolgt z. B. durch Ionen
strahlätzen. Die Optimierung der Profilparameter er
folgte auf eine möglichst gleichmäßige und effiziente
Ausleuchtung eines Winkelbereichs von ±4 µrad im
Fernfeld des Gesamtsystems.
In einem Abstand von 80 mm hinter dem Strahlformer
entsteht eine ringförmige Intensitätsverteilung ent
sprechend Fig. 4 (hierin sind der Intensitätsverlauf
ausgezogen und der Phasenverlauf gestrichelt darge
stellt). Diese wird durch ein Keplerteleskop um das
10-fache vergrößert. In einem Abstand von 1000 mm
nach diesem Hilfsteleskop ist eine Ringblende - ge
bildet durch die Zentralabschattung des Sekundärspie
gels mit dem Durchmesser 52 mm und die 120 mm Öffnung
eines Cassegrainteleskops ebenfalls mit der Vergröße
rung 1 : 10 - angeordnet. Die Leistungstransmission
durch die Ringblende beträgt ca. 86%.
Am Ausgang dieses Teleskops liegt eine Intenisätsver
teilung gemäß Fig. 5 vor. In sehr großem Abstand
(6000 km) bildet sich dann eine Feldverteilung ähn
lich einem Besselstrahl aus (Fig. 6), die die ge
wünschte möglichst homogene Ausleuchtung im Winkelbe
reich ±4 µrad realisiert.
Gemäß Fig. 2 wird der Laserstrahl 1 ebenfalls durch
die Linse 2 kollimiert. Das strahlformende Element
besteht aus einem Axicon 9 und einer Linse 10. Das
Axicon 9 erzeugt eine konisch auseinanderlaufende
Welle, die von der Linse 10 kollimiert wird. Gleich
zeitig wird am bildseitigen Brennpunkt der Linse 10
die beugungsbegrenzte Ringintensität in der Ebene 7
erzeugt, in der der Sekundärspiegel eines Cassegrain-
Teleskops angeordnet sein kann. Das Fernfeldverhalten
ist dem in Fig. 1 äquivalent. Bei zusätzlichem Ein
satz eines Kepler-Teleskop kann ein Raumfilter reali
siert werden.
Claims (8)
1. Optische Anordnung zur Strahlführung eines La
serstrahls (1) durch eine ringförmige Aper
turöffnung, die in einer im Nahbereich befindli
chen ersten Ebene (7) angeordnet ist, bei
gleichzeitiger Erzeugung einer maximalen Inten
sität im Zentrum einer zweiten, sehr weit ent
fernten Ebene (11) mit einem strahlformenden
Element, das die Laserstrahlung nahezu beugungs
begrenzt in einen Ring fokussiert, so daß die so
erzeugte ringförmige Intensitätsverteilung in
ihren lateralen Abmessungen der ringförmigen
Aperturöffnung in der ersten Ebene (7) angepaßt
ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das strahlformende Element als Ringlinse (3) oder
als mit einer Kollimationsoptik (10) kombinier tes Axicon (9) ausgebildet ist, und
daß der Durchmesser des auf die Ringlinse (3) oder das Axicon (9) einfallenden Laserstrahls, die durch die Ringlinse (3) oder das mit der Kollimationsoptik (10) kombinierte Axicon (9) realisierte Brennweite und der Abstrahlwinkel des Ringstrahls in der ersten Ebene (7) so opti miert sind, daß eine vorgegebene Fernfeldvertei lung bei maximaler Leistungstransmission erhal ten wird.
daß das strahlformende Element als Ringlinse (3) oder
als mit einer Kollimationsoptik (10) kombinier tes Axicon (9) ausgebildet ist, und
daß der Durchmesser des auf die Ringlinse (3) oder das Axicon (9) einfallenden Laserstrahls, die durch die Ringlinse (3) oder das mit der Kollimationsoptik (10) kombinierte Axicon (9) realisierte Brennweite und der Abstrahlwinkel des Ringstrahls in der ersten Ebene (7) so opti miert sind, daß eine vorgegebene Fernfeldvertei lung bei maximaler Leistungstransmission erhal ten wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Ringlinse (3) oder das Axicon (9)
als beugungs-optisches Phasenelement ausgebildet
ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Phasenelement als mikrostrukturier
te Fläche einer Linse ausgebildet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß das strahlformende
Element mindestens eine reflektierende Fläche
enthält.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß weitere optische Bau
elemente oder Baugruppen zur Anpassung des
Durchmessers des Laserstrahls und/oder zur Ver
größerung oder Verkleinerung des erzeugten Rin
ges vorgesehen sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß zur Vergrößerung oder Verkleinerung des
Ringes ein Kepler-Teleskop (5), (6) vorgesehen
ist, welches zwecks Minderung von Streulicht als
Raumfilter ausgebildet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die ringförmige Aper
turöffnung Teil eines Cassegrain-Teleskops ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß sie Teil einer opti
schen Satellitenkommunikationsanlage ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000144522 DE10044522C2 (de) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | Optische Anordnung zur Strahlführung |
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DE2000144522 DE10044522C2 (de) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | Optische Anordnung zur Strahlführung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE10044522A1 DE10044522A1 (de) | 2002-04-04 |
DE10044522C2 true DE10044522C2 (de) | 2002-08-01 |
Family
ID=7655553
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE2000144522 Expired - Lifetime DE10044522C2 (de) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | Optische Anordnung zur Strahlführung |
Country Status (1)
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