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Die Erfindung betrifft eine Strahlvereinigungsvorrichtung mit mehreren separaten Eingangsstrahlwegen und wenigstens einem Ausgangsstrahlweg zur Vereinigung mehrerer Eingangsstrahlen zu wenigstens einem Ausgangsstrahl.
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Vorrichtungen dieser Art werden benötigt, um beispielsweise die Strahlen mehrerer Laser mit jeweils unterschiedlichem Spektrum zu einem einzelnen Strahl zu vereinigen, d. h. zu überlagern. Hierzu werden bisher aufwendige optische Aufbauten benutzt, welche eine Vielzahl optischer und mechanischer Elemente, wie z. B. kippbare Umlenkspiegel, beinhalten. Sollen die zu vereinigenden Laserstrahlen und auch der vereinigte Ausgangsstrahl in optischen Fasern propagieren, sind des Weiteren Faseroptiken oder Faserkoppler notwendig, die zum einen den Justageaufwand beträchtlich erhöhen und zum anderen nicht unerhebliche Strahlungsverluste verursachen.
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Die gezielte Ablenkung von Freistrahlen erfolgt im Stand der Technik durch Umlenkspiegel, welche mit Hilfe von Schrittmotoren verstellbar sind. Um eine Verstellung in drei Dimensionen zu erlauben, sind großvolumige, komplexe und vergleichsweise teure Vorrichtungen notwendig.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kompakte und kostengünstige Strahlvereinigungsvorrichtung zu schaffen, welche zuverlässig für eine präzise und stabile Überlagerung der Eingangsstrahlen im Ausgangsstrahl sorgt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass jedem Eingangsstrahlweg der Strahlvereinigungsvorrichtung ein oder mehrere Risley-Prismenpaare zugeordnet sind, welche den Eingangstrahl in eine einstellbare Richtung ablenken.
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Risley-Prismenpaare bestehen aus zwei Risley-Prismen, welche bei Verdrehung gegeneinander eine Ablenkung des transmittierten Strahles bewirken. Die Strahllenkungseigenschaft der Risley-Prismenpaare wird bisher lediglich für optische Schalter (Switches) oder eine gerichtete Lichtabstrahlung genutzt.
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US 2003/0138193 A1 offenbart einen optischen Schalter mit Risley-Prismen, bei welchem sich Arrays von Eingangs- und Ausgangsfasern gegenüberstehen, wobei jeder Eingangs- und Ausgangsfaser jeweils ein Risley-Prismenpaar zugeordnet ist, mit welchem Licht von einer Eingangsfaser auf eine bestimmte Ausgangsfaser geschaltet werden kann.
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US 2009/0323203 A1 offenbart eine Vorrichtung zur optischen Strahllenkung, bei welcher ein Risley-Prismenpaar einen Laserstrahl in eine gewünschte Richtung lenkt. Eine Anordnung mehrerer solcher Vorrichtungen ermöglicht beispielsweise eine parallele Abstrahlung mehrerer Laserstrahlen in eine wählbare Richtung.
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Die Erfindung nutzt die Risley-Prismenpaare so, dass ein von der Lichtquelle, z. B. einem Laser, ausgehender Strahl hintereinander auf ein oder mehrere Risley-Prismenpaare trifft, welche ihn gezielt auf eine Umlenkeinrichtung zur Einkopplung in einen Ausgangsstrahlweg lenken, und zwar so, dass die verschiedenen Eingangsstrahlen im jeweiligen Ausgangsstrahl präzise räumlich überlappen und gemeinsam propagieren.
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Bei Verwendung von mehr als einem Risley-Prismenpaar kann die gewünschte Ablenkung verstärkt werden oder eine größere Fehllage des Strahls besser ausgeglichen werden. Insbesondere kann ein Parallelversatz des betreffenden Eingangsstrahls flexibel kompensiert werden.
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Der Eingangsstrahlweg kann neben dem Risley-Prismenpaar weitere optische Elemente enthalten. Je nach der Strahlquelle oder dem Transportmedium des Eingangsstrahls, z. B. einer Laserdiode oder einer optischen Faser, kann es vorteilhaft sein, zusätzliche optische Elemente wie z. B. Filter, Kollimatoren, Linsen oder Blenden in den Eingangsstrahlweg einzubringen.
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Die Erfindung sieht vor, dass die von den Risley-Prismenpaaren abgelenkten Eingangsstrahlen mittels zusätzlicher, verstellbarer oder nicht verstellbarer Umlenkeinrichtungen, insbesondere mittels Umlenkspiegeln, auf den Ausgangsstrahlweg richtbar sind.
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Bevorzugt sind die Umlenkeinrichtungen mit einer konstanten Ausrichtung im Strahlengang angeordnet. Sie haben lediglich die Funktion, den bereits durch die Risley-Prismenpaare optimal justierten Eingangsstrahl auf den Ausgangsstrahlweg umzulenken und so für eine Überlagerung der Eingangsstrahlen im Ausgangsstrahl zu sorgen. Eine Justage der Umlenkeinrichtungen ist bei dieser Ausgestaltung nicht vorgesehen. Als Umlenkeinrichtung kommen unterschiedliche Elemente in Frage, besonders eignen sich teilreflektierende Spiegel. Zur Überlagerung der Eingangsstrahlen eignen sich aber auch dispersive Elemente, wie z. B. Prismen.
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Denkbar, jedoch aufgrund der Komplexität und damit der Kosten des Aufbaus weniger vorteilhaft, ist auch eine Lösung, bei der pro Eingangsstrahlweg ein Risley-Prismenpaar mit einem verstellbaren Umlenkspiegel kombiniert ist, um die gewünschte Ausrichtung des Eingangsstrahls auf den Ausgangsstrahlweg zu erzielen.
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Vorteilhaft weist der Ausgangsstrahlweg ein Strahllagenmesssystem auf, vorzugsweise in Verbindung mit einem positionssensitiven Detektor (PSD) oder einer Kamera. Dabei wird im Ausgangsstrahlweg beispielsweise ein Strahlteiler positioniert, der einen kleinen Teil des vereinigten Strahles aus dem Hauptstrahlweg auskoppelt und auf den Detektor lenkt. Der Detektor misst die Form und Position des Strahles, so dass der Anwender eine Aussage über das Ergebnis der Justage der Risley-Prismenpaare erhält. Sofern der Detektor eine Abweichung von der gewünschten Strahlform und/oder Strahlposition erkennt, kann der Anwender eine Justage vornehmen. Da jedem einzelnen Eingangsstrahl ein eigener Eingangsstrahlweg mit einem oder mehreren Risley-Prismenpaaren zugeordnet ist, kann jeder Strahl auch so abgelenkt werden, dass der Detektor des Strahllagenmesssystems unterschiedliche Strahllagen detektiert. So wäre es z. B. auch denkbar, zwei Ausgangsstrahlwege zu schaffen, welche auf dem Detektor als zwei Maxima erscheinen. Die gewünschte Strahllage kann über das Messsystem festgelegt und mittels der Risley-Prismenpaare in den Eingangsstrahlwegen nachjustiert werden. Die Positionierung des Detektors empfiehlt sich im Ausgangsstrahlweg dort, wo bereits alle Eingangsstrahlen überlagert wurden. Es ist jedoch auch möglich, für Teilaussagen zu der Justage einzelner Eingangsstrahlwege Detektoren hinter einzelnen Umlenkeinrichtungen, welche in Strahlrichtung vorn im Ausgangsstrahlweg angeordnet sind, vorzusehen.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Risley-Prismenpaare motorisch bewegbar sind und die Orientierung der Risley-Prismenpaare abhängig von der mittels des Strahllagenmesssystems gemessenen Ist-Strahlüberlagerung im Ausgangsstrahlweg und der angestrebten Soll-Strahlüberlagerung steuerbar ist. Weiter empfiehlt sich dabei, dass die Risley-Prismenpaare computergesteuert bewegbar sind. Somit kann die Justage gänzlich automatisiert geregelt erfolgen, so dass der Anwender nicht mehr manuell tätig werden muss. Er gibt lediglich dem Strahllagenmesssystem die gewünschten Parameter der Strahlposition vor. Über einen Algorithmus steuert das Messsystem die Motoren der Risley-Prismenpaare dann solange bis die tatsächliche Ist-Strahlüberlagerung mit der gewünschten Soll-Strahlüberlagerung übereinstimmt.
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An Stelle des Strahllagenmesssystems kann, in einer besonders einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strahlvereinigungsvorrichtung, ein Leistungsmesssystem Verwendung finden, das die Lichtleistung im Ausgangsstrahl misst. Ein geeigneter Algorithmus kann in diesem Fall dazu genutzt werden, die Motoren der Risley-Prismenpaare in der Weise zu steuern, dass die gemessene Ausgangsleistung einen Soll- oder Maximalwert annimmt.
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Mit Vorteil sind die Risley-Prismenpaare der Eingangsstrahlwege voneinander unabhängig bewegbar. So können die einzelnen Eingangsstrahlen, wie zuvor bereits erwähnt, unabhängig voneinander manipuliert werden. Die Fehllage jedes Eingangsstrahls kann individuell kompensiert werden.
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Bevorzugt ist die Strahlvereinigungsvorrichtung so ausgebildet, dass die Eingangsstrahlen mit Hilfe von optischen Fasern in die Eingangsstrahlwege einkoppelbar sind. Ebenso ist der in dem Ausgangsstrahlweg propagierende Ausgangsstrahl bevorzugt in eine optische Faser einkoppelbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Risley-Prismenpaare mittels besonders kostengünstiger vibrierender Piezoaktuatoren verstellbar. Durch die Piezovibration werden die Prismen der Risley-Prismenpaare, anders als beispielsweise bei Verwendung von Schrittmotoren, nach einem mehr oder weniger zufälligen Schema rotiert. Die gewünschte Strahllage wird eingestellt, indem die Vibration in Abhängigkeit von der gemessenen Strahllage gestartet oder unterbrochen wird, und zwar so lange bis der Soll-Zustand erreicht ist.
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Schließlich ist vorgesehen, dass die Strahlvereinigungsvorrichtung in einem Gehäuse angeordnet ist, welches eingangsseitig Faserstecker für die Kopplung von optischen Fasern mit den Eingangsstrahlwegen und ausgangsseitig einen oder mehrere Faserstecker für die Kopplung des Ausgangsstrahlweges mit einer oder mehreren optischen Fasern aufweist. Der Anwender muss in diesem Fall lediglich die zu überlagernden Strahlungsquellen durch eine optische Faser mit dem Faserstecker des Gehäuses verbinden und auf der Ausgangsseite des Gehäuses ebenfalls eine optische Faser auf den Stecker aufstecken. Auf der Ausgangsseite des Gehäuses können statt einer Ausgangsfaser auch mehrere Ausgangsfasern vorgesehen sein, so dass der vereinigte Ausgangsstrahl auf mehrere Empfängerfasern verteilt wird. Ebenso kann der Ausgangsstrahl das Gehäuse als Freistrahl verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Strahlvereinigungsvorrichtung 1, welche mehrere Eingangsstrahlwege 2 und einen Ausgangsstrahlweg 3 aufweist.
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In den Eingangsstrahlwegen 2 sind jeweils zwei Risley-Prismenpaare 4 angeordnet, sowie ein Umlenkspiegel 5, welcher den Eingangsstrahlweg 2 auf den Ausgangsstrahlweg 3 abbildet. Im Ausgangsstrahlweg 3, nach den Umlenkspiegeln 5, befindet sich ein Strahlteiler 6, welcher einen Teil des Ausgangsstrahls auf eine Kamera 7 abbildet. Auf der Eingangsseite der Strahlvereinigungsvorrichtung 1 sind Dioden 8 und eine optische Faser 9 als Strahlquellen angeordnet. Die Strahlquellen weisen Kollimatoren 10 auf sowie wahlweise zusätzliche Vorsätze 11, z. B. Blenden oder Filter.
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Die Erfindung funktioniert so, dass die Dioden 8 und die optische Faser 9 vor den Eingangsstrahlwegen 2 angeordnet werden. Die Eingangsstrahlwege 2 werden im Wesentlichen durch die optischen Achsen gebildet, welche die Risley-Prismenpaare 4 und den Umlenkspiegel 5 miteinander verbinden. Zur Aufweitung der Strahlungsquerschnitte der Dioden 8 und der optischen Faser 9 werden Kollimatoren 10 vor den Ausgang der Strahlungsquellen 8, 9 gesetzt. Für den Fall, dass die Strahlung einer Quelle 8, 9 noch gefiltert oder im Durchmesser begrenzt werden soll, werden Filter oder Blenden als Vorsatz 11 zwischen Strahlungsquelle 8, 9 und Risley-Prismenpaar 4 an den Anfang des Eingangstrahlweges 2 gesetzt. Die so vorgeformten Eingangsstrahlen gelangen anschließend jeweils in den ihnen zugeordneten Eingangstrahlweg 2, wo sie auf das erste Risley-Prismenpaar 4 treffen. Dort werden sie entsprechend der Rotationsstellung des Risley-Prismenpaars 4 abgelenkt und treffen auf das zweite Risley-Prismenpaar 4. Durch das zweite Risley-Prismenpaar 4 erfahren sie wiederum eine Ablenkung. Danach trifft die so manipulierte Strahlung des Eingangsstrahlweges 2 auf den Umlenkspiegel 5, durch welchen sie in den Ausgangsstrahlweg 3 umgelenkt wird. Der Umlenkspiegel 5 ist hier ein 90°-Umlenkspiegel 5. Entlang des Ausgangsstrahlwegs 3 werden die Strahlungsanteile der einzelnen Eingangsstrahlwege 2 mit weiteren 90°-Umlenkspiegeln 5 in den Ausgangsstrahlweg 3 eingekoppelt. Anschließend gelangt die gesamte in dem Ausgangsstrahlweg 3 vorhandene Strahlung als Ausgangsstrahl auf einen Strahlteiler 6. Dieser reflektiert einen geringen Teil des Ausgangsstrahls auf eine Kamera 7 und transmittiert den Reststrahl in Richtung eines Empfängers, z. B. einer optischen Faser. Der Teilstrahl, welcher auf die Kamera 7 abgebildet wird, erzeugt dort eine positionsabhängige Intensität, welche Rückschlüsse auf die Qualität der Strahlvereinigung zulässt.
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Ergibt sich nun eine Differenz zwischen der Soll-Strahlüberlagerung und der gemessenen Ist-Strahlüberlagerung, werden die Risley-Prismenpaare 4 erneut verstellt, bis die gewünschte Soll-Strahlüberlagerung von der Kamera 7 gemessen wird. Die Rotation der Risley-Prismen erfolgt dabei mit Piezoaktuatoren (nicht dargestellt), welche in einem Regelkreis mit der Kamera 7 und einem Computer (nicht dargestellt) angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0138193 A1 [0007]
- US 2009/0323203 A1 [0008]
