DE102012202177B3 - Freistrahloptische Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Bei einer Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung (1) mit mehreren optischen Eingangsfasern (2), deren lichtaustrittsseitige Faserenden (3) um eine Mittelachse (4) herum angeordnet sind, mit einer optischen Ausgangsfaser (5) und mit einer Einkoppeloptik (6), welche die aus den stirnseitigen Austrittsflächen (7) der Eingangsfasern (2) jeweils austretenden Lichtstrahlen (8) in die stirnseitige Eintrittsfläche (9) des lichteintrittsseitigen Faserendes (10) der Ausgangsfaser (5) einkoppelt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die lichtaustrittsseitigen Faserenden (3) mit ihren optischen Achsen (11) jeweils gekippt in Richtung auf die Mittelachse (4) angeordnet und dass die Einkoppeloptik (6) transmissiv durch jeweils eine Einzellinse (12) oder reflexiv durch jeweils einen Ellipsoidspiegel (22) für jeden der aus den Austrittsflächen (7) der Eingangsfasern (2) austretenden Lichtstrahlen (8) gebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung mit mehreren optischen Eingangsfasern, deren lichtaustrittsseitige Faserenden um eine Mittelachse herum angeordnet sind, mit einer optischen Ausgangsfaser und mit einer Einkoppeloptik, welche die aus den stirnseitigen Austrittsflächen der Eingangsfasern jeweils austretenden Lichtstrahlen in die stirnseitige Eintrittfläche des lichteintrittsseitigen Faserendes der Ausgangsfaser einkoppelt.
  • Es sind bereits Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtungen für Laserstrahlung bekannt, bei denen die lichtaustrittsseitigen Faserenden mehrerer Eingangsfasern parallel um eine Mittelachse herum angeordnet sind. Die aus den Eingangsfasern austretenden Laserstrahlen werden jeweils über eine eigene Sammellinse gebündelt und dann über eine gemeinsame Einkoppellinse in die Ausgangsfaser fokussiert („2-Linsen-Konzept, 4f-Abbildung”), wodurch die Leistung in der Ausgangsfaser um den Faktor n vergrößert wird. Bei n Eingangsfasern benötigt dieser bekannte freistrahloptische Faser-zu-Faser-Koppler insgesamt (n + 1) Linsen, also eine hohe Anzahl an optischen Komponenten, und führt aufgrund der Einhaltung der 4f-Bedingung zu einer großen Baulänge. Eine inhomogene Ausleuchtung der Einkoppellinse, z. B. aufgrund unterschiedlicher Erwärmung der Sammellinsen, resultiert in einem inhomogenen thermooptischen Fokusshift des bekannten Faser-zu-Faser-Kopplers.
  • Zur Strahlkombination von Hochleistungs-Faserlasern werden faseroptisch integrierte Strahlkombinierer (Tapered fiber bundles) eingesetzt wie in der EP 2071376 A1 beschrieben. Hier werden mehrere Eingangsfasern durch eine feste Verbindung in eine Ausgangsfaser kombiniert und zur Stabilität eine Kapillare verwendet. Diese Ausführung der Strahlkombination hat den Nachteil, dass sie verlustbehaftet ist, da es fertigungstechnisch schwierig ist, die Führungseigenschaften der Grundmodefasern im Übergangsbereich in hoher Qualität beizubehalten. Zudem entstehen die Verluste in einem sehr kleinen Volumen, wodurch es zu hohen Temperaturbelastungen im Strahlkombinierer kommt.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung der eingangs genannten Art einen optischen Fokusshift zu reduzieren oder vollständig zu verhindern sowie die Leistungsbeständigkeit zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die lichtaustrittsseitigen Faserenden mit ihren optischen Achsen jeweils gekippt in Richtung auf die Mittelachse angeordnet sind und dass die Einkoppeloptik transmissiv durch jeweils eine abbildende Einzellinse oder reflexiv durch jeweils einen Ellipsoidspiegel für jeden der aus den Austrittsflächen der Eingangsfasern austretenden Lichtstrahlen gebildet ist.
  • Es sind dabei die lichtaustrittsseitigen Faserenden mit ihren optischen Achsen alle auf den gleichen Punkt der Mittelachse gerichtet.
  • Die erfindungsgemäße freistrahloptische Kopplungsvorrichtung bildet eine bis n Eingangsfasern direkt auf die Ausgangsfaser ab. Das Abbildungsverhältnis stellt dabei einen Kompromiss zwischen Effizienz bei der Faserkopplung und Erhaltung der Strahlqualität da. Die Abbildung kann sowohl transmissiv als auch reflektiv ausgeführt sein. Berechnungsgrundlage für die Brennweite f der Einkoppeloptik ist die Abbildungsgleichung 1/f = 1/g + 1/b, wobei g dem Abstand der Eingangsfaser zur Einkoppeloptik und b dem Abstand der Eingangsfaser zur Ausgangsfaser entspricht. Das Abbildungsverhältnis ergibt sich dann aus dem Quotienten b/g. Für die geometrische Überlagerung mehrerer Eingangsfasern zur Leistungsskalierung in den multi-kW Bereich ist die Optimierung des Füllfaktors bzw. der Packungsdichte am Ort der Einkoppeloptik ein wichtiges Kriterium zur Erhaltung der Strahlqualität. Daraus ergeben sich abhängig von der Anzahl der Eingangsfasern die folgenden Anordnungsmöglichkeiten: Dreieckanordnung von drei Eingangsfasern, Quadratanordnung von vier Eingangsfasern, usw.
  • Aufgrund der einen Linse bzw. des einen Spiegels pro Eingangsfaser ist die erfindungsgemäße Kopplungsvorrichtung hochleistungstauglich für Laserstrahlung bis in den multi-kW-Bereich, sehr kompakt sowie Fokusshift-optimiert im Vergleich zum bekannten 2-Linsen-Konzept. Dadurch wird auch ein einfaches Service-/Austauschkonzept bei reduziertem Entwicklungsaufwand und Ausfallrisiko ermöglicht.
  • Im Falle der Ellipsoidspiegel als Einkoppeloptik können die mehreren Ellipsoidspiegelbereiche entweder monolithisch aus Metall, insbesondere Kupfer, oder aus Glas ausgebildet oder mehrteilig zusammengesetzt sein.
  • Besonders bevorzugt sind zur Absicherung der optischen Langzeitstabilität die Einkoppeloptik und/oder die Halter der Eingangs- und Ausgangsfasern temperiert, also auf konstanter Temperatur gehalten. Weiterhin weisen die Einkoppeloptik und/oder die Halter der Eingangs- und Ausgangsfasern Justiergenauigkeiten im μm-Bereich auf, um den Strahlengang der Lichtstrahlen zwischen den Eingangs- und Ausgangsfasern reproduzierbar einstellen zu können.
  • Vorzugsweise beträgt der Kippwinkel der optischen Achsen der lichtaustrittsseitigen Faserenden der optischen Eingangsfasern gegenüber der Mittelachse ca. 20 bis 150 mrad.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung mit einer transmissiven Kopplungsoptik zum direkten Abbilden von drei Eingangsfasern auf eine Ausgangsfaser;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung mit einer reflexiven Kopplungsoptik zum direkten Abbilden von drei Eingangsfasern auf eine Ausgangsfaser; und
  • 3 den Strahlengang zum direkten Abbilden einer der in 2 gezeigten Eingangsfasern auf die Ausgangsfaser.
  • Die in 1 gezeigte Kopplungsvorrichtung 1 ist ein hochleistungstauglicher, freistrahloptischer Faser-zu-Faser-Koppler mit mehreren (n), hier beispielhaft drei, optischen Eingangsfasern 2, deren lichtaustrittsseitige Faserenden 3 um eine Mittelachse 4 herum angeordnet sind, mit einer optischen Ausgangsfaser 5 und mit einer Einkoppeloptik 6, welche die aus den stirnseitigen Austrittsflächen 7 der Eingangsfasern 2 jeweils austretenden Laserstrahlen 8 in die stirnseitige Eintrittsfläche 9 des lichteintrittsseitigen Faserendes 10 der Ausgangsfaser 5 einkoppelt. Dadurch wird die Leistung in der Ausgangsfaser 5 um den Faktor n vergrößert.
  • Die lichtaustrittsseitigen Faserenden 3 sind mit ihren optischen Achsen 11 jeweils gekippt in Richtung auf die Mittelachse 4 gerichtet, und zwar alle auf den gleichen Punkt der Mittelachse 4. Die lichtaustrittsseitigen Faserenden 3 sind dabei winkelsymmetrisch um die Mittelachse 4 herum angeordnet, also in gleichen Winkelabständen von in diesem Beispiel 120° und auf dem gleichen Radius um die Mittelachse 4. Vorstellbar ist auch, dass die lichtaustrittsseitigen Faserenden 3 in unterschiedlichen Abständen zur Mittelachse angeordnet sind, wobei weiterhin gelten muss, dass alle Faserenden 3 auf den gleichen Punkt der Mittelachse 4 gerichtet sind.
  • Die Einkoppeloptik 6 ist transmissiv durch drei um die Mittelachse 4 herum angeordnete Einzellinsen 12 gebildet, die die aus den Austrittsflächen 7 der Eingangsfasern 2 austretenden Laserstrahlen 8 direkt auf die Eintrittsfläche 9 der Ausgangsfaser 5 abbilden. Das Abbildungsverhältnis stellt dabei einen Kompromiss zwischen Effizienz bei der Faserkopplung und Erhaltung der Strahlqualität dar. Berechnungsgrundlage für die Brennweite f der Einzellinsen 12 ist die Abbildungsgleichung 1/f = 1/g + 1/b, wobei g dem Abstand der Austrittsfläche 7 zu den Linsen 12 und b dem Abstand der Austrittsfläche 7 zur Eintrittsfläche 9 entspricht. Das Abbildungsverhältnis ergibt sich dann aus dem Quotienten b/g. Für die geometrische Überlagerung mehrerer Eingangsfasern 2 zur Leistungsskalierung in den multi-kW Bereich ist die Optimierung des Füllfaktors bzw. der Packungsdichte am Ort der Linsen 12 ein wichtiges Kriterium zur Erhaltung der Strahlqualität. Daraus ergeben sich abhängig von der Anzahl (n) der Eingangsfasern 2 die folgenden Anordnungsmöglichkeiten: Dreieckanordnung von drei Eingangsfasern 2, Quadratanordnung von vier Eingangsfasern 2, usw. Vorzugsweise wird eine Anordnung der dichtesten Kreispackung (bei n = 3, 7, 19 ...) gewählt.
  • Die Faserenden 3, 10 sind als Standard-Faserstecker ausgebildet und mittels entsprechender Steckaufnahmen in Haltern 13 befestigt. Die Linsen 12 sind ebenfalls über einen Halter 14 befestigt. Die Halter 13, 14 weisen Justiergenauigkeiten im μm-Bereich auf und sind temperiert, um den gesamten Aufbau bezüglich optischer Langzeitstabilität abzusichern. Durch Verwendung einer Einlinsenabbildung 12 ist die Kopplungsvorrichtung 1 sehr kompakt sowie optimiert bzgl. thermischen Fokusshift und Abbildungsfehler im Vergleich zum bekannten 2-Linsen-Konzept in 4f-Abbildung.
  • Von der Kopplungsvorrichtung der 1 unterscheidet sich die in 2 und 3 gezeigte Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung 1 lediglich dadurch, dass die Einkoppeloptik 6 hier reflexiv durch drei Ellipsoidspiegel 22 für jeden der aus den Austrittsflächen 7 der Eingangsfasern 2 austretenden Laserstrahlen 8 gebildet ist. Die mehreren Ellipsoidspiegel 22 können entweder monolithisch aus Metall, insbesondere aus Kupfer, oder aus Glas ausgebildet sein oder mehrteilig aus einzelnen Ellipsoidspiegeln zusammengesetzt sein. Die Ellipsoidspiegel 22 sind über einen Halter 23 befestigt. Die Halter 13, 23 weisen Justiergenauigkeiten im μm-Bereich auf und sind temperiert, um den gesamten Aufbau bezüglich optischer Langzeitstabilität abzusichern. Durch Abbildung mit jeweils nur einem Ellipsoidspiegel 22 ist die Kopplungsvorrichtung 1 sehr kompakt, und ermöglicht ein einfaches Service-/Austauschkonzept. Zudem ergibt sich bei reflektiver Abbildung mit den Ellipsoidspiegeln 22 prinzipiell kein optischer Fokusshift.
  • Bevorzugt sind folgende Werte für die Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung 1:
    • – Abbildungsverhältnis: zwischen 0,75 und 4;
    • – Brennweite: zwischen 30 und 500 mm;
    • – Apertur: Durchmesser zwischen 3 mm und 25 mm;
    • – Kippwinkel: 20 bis 150 mrad
    • – Divergenz der Eingangsstrahlen: 30 bis 200 mrad;
    • – Strahldurchmesser: eingangsseitig zwischen 10 und 40 μm, ausgangsseitig zwischen 30 und 1000 μm;
    • – Strahlqualität: eingangsseitig zwischen 0,3 mm × mrad und 3 mm × mrad, ausgangsseitig zwischen 2 mm × mrad und 20 mm × mrad.

Claims (11)

  1. Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung (1) mit mehreren optischen Eingangsfasern (2), deren lichtaustrittsseitige Faserenden (3) um eine Mittelachse (4) herum angeordnet sind, mit einer optischen Ausgangsfaser (5), und mit einer Einkoppeloptik (6), welche die aus den stirnseitigen Austrittsflächen (7) der Eingangsfasern (2) jeweils austretenden Lichtstrahlen (8) in die stirnseitige Eintrittsfläche (9) des lichteintrittsseitigen Faserendes (10) der Ausgangsfaser (5) einkoppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaustrittsseitigen Faserenden (3) mit ihren optischen Achsen (11) jeweils gekippt in Richtung auf die Mittelachse (4) angeordnet sind und dass die Einkoppeloptik (6) transmissiv durch jeweils eine Einzellinse (12) oder reflexiv durch jeweils einen Ellipsoidspiegel (22) für jeden der aus den Austrittsflächen (7) der Eingangsfasern (2) austretenden Lichtstrahlen (8) gebildet ist.
  2. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ellipsoidspiegel (22) monolithisch ausgebildet oder mehrteilig zusammengesetzt sind.
  3. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ellipsoidspiegel (22) aus Metall, insbesondere Kupfer, oder aus Glas gebildet sind.
  4. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaustrittsseitigen Faserenden (3) der Eingangsfasern (2) in gleichen Winkelabständen um die Mittelachse (4) herum angeordnet sind.
  5. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaustrittsseitigen Faserenden (3) der Eingangsfasern (2) winkelsymmetrisch um die Mittelachse (4) herum angeordnet sind.
  6. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaustrittsseitigen Faserenden (3) der Eingangsfasern (2) auf dem gleichen Radius um die Mittelachse (4) angeordnet sind.
  7. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaustrittsseitigen Faserenden (3) der Eingangsfasern (2) mit ihren optischen Achsen (11) alle auf den gleichen Punkt der Mittelachse (4) gerichtet sind.
  8. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaustrittsseitigen Faserenden (3) der Eingangsfasern (2) und das lichteintrittsseitige Faserende (10) der Ausgangsfaser (5) in Haltern (13) gehalten, insbesondere steckverbunden sind.
  9. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (6) und/oder die Halter (13) der Eingangs- und Ausgangsfasern (2, 5) temperiert sind.
  10. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsvorrichtung (1) für Laserstrahlung im multi-kW-Bereich ausgelegt ist.
  11. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kippwinkel der optischen Achsen (11) der lichtaustrittsseitigen Faserenden (3) der optischen Eingangsfasern (2) gegenüber der Mittelachse (4) 20 bis 150 mrad beträgt.
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