DE10217657A1

DE10217657A1 - Optischer Strahlteiler

Info

Publication number: DE10217657A1
Application number: DE2002117657
Authority: DE
Inventors: Christoph Thoma; Horst Kreitlow; Thorsten Vahrenkamp
Original assignee: FACHHOCHSCHULE OLDENBURG OSTFR
Current assignee: FACHHOCHSCHULE OLDENBURG OSTFR
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2022-04-20
Also published as: DE10217657B4

Abstract

Optischer Strahlteiler zur Auskopplung von Strahlung aus einem Laserstrahl, der aus einem Planglas aus Brechzahlgradientenglas besteht, unter dessen Oberfläche mittels Ionendiffusion ein funktionstragendes Phasenhologramm eingebracht ist, wobei der Anteil der ausgekoppelten Strahlung unabhängig vom Montagewinkel des Strahlteilers und von der Polarisation der Strahlung ist, und wobei außerdem der Wirkungsgrad des Strahlteilers ein eingeprägter Parameter des Strahlteilers ist, und Verfahren zur Herstellung eines optischen Strahlteilers, wobei für das Brechzahlgradientenglas ein Brechzahlgradientenglas mit optimierter Ionenstruktur ausgewählt wird, und außerdem das Phasenhologramm mittels Ionendiffusion unter die Oberfläches eines Substrat-Glases eingebracht wird, wobei ein computergeneriertes Hologramm in Gestalt einer Resist-Maske auf das Substrat-Glas übertragen wird, und daran anschließend das maskierte Glas in eine Schmelze aus NaNO3 und AgNO3 mit vorbestimmtem Mischungsverhältnis und vorbestimmter Temperatur über einen vorbestimmten Zeitraum eingetaucht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauelement aus Glas für die anteilige Auskopplung von Strahlung aus einem Laserstrahl. Die ausgekoppelte Strahlung dient in der Regel der optischen Leistungsmessung, sowie der Laser- Strahlanalyse. Das optische Bauelement wirkt insoweit als Strahlteiler und insbesondere als polarisationsunabhängiger Strahlteiler.
Beispielsweise aus der EP-0 269 996 sind planare Verfahren zur Herstellung eines vergrabenen Bereichs erhöhter Brechzahl in einem Glaskörper durch Ionenaustausch bekannt. Brechzahlgradientenglas dient der serienmäßigen Herstellung von Bauelementen für die optische Nachrichtentechnik und der optischen Messtechnik.
Nach dem Stand der Technik werden zur Strahlauskopplung bei Lasergeräten beispielsweise Planplatten aus Glas und insbesondere aus Quarzglas eingesetzt, die häufig unter einem Winkel von 45° in den Strahlengang angebracht sind. Der Einfallswinkel kann jedoch auch in der Nähe des Brewster-Winkels von etwa 56° liegen, wobei nur ein Bruchteil eines Prozents der Strahlung aus dem Strahl heraus reflektiert wird. Der ausgekoppelte Strahl wird in der Regel zur Messung der integralen Strahlleistung (monitoring), oder zur detaillierten Analyse der Strahldichte verwendet. Anwendung finden diese optischen Bauteile aus Glas in Systemen mit hohen optischen Leistungen.
Diese Bauelemente sind jedoch in hohem Maße polarisationsabhängig und reagieren stark auf Verschmutzungen, etwa durch Adsorbat-Filme auf der Oberfläche. Die ausgekoppelte Strahlungsleistung hängt ausserdem vom Montagewinkel ab, wodurch eine individuelle Kalibrierung des jeweiligen Leistungsmeßsystems notwendig ist. Für die Laser-Strahlanalyse muß weiterhin wenigstens eine abbildende Linse zusätzlich in das Meßsystem eingebracht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher einen weitgehend polarisationsunabhängigen Strahlteiler bereitzustellen, der ausserdem möglichst unempfindlich gegenüber Verschmutzungen ist und der hohen Strahlleistung standhält, wie sie beispielsweise in Lasersystemen auftritt. Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Strahlteiler bereitzustellen, der weitgehend unabhängig vom Montagewinkel ist. Hierbei ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines polarisationsunabhängigen Strahlteilers anzugeben, das auch zur industriellen Massenproduktion geeignet ist.
Die Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen und/oder der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die von schematischen Zeichnungen begleitet ist.
Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines optischen Strahlteilers;
Fig. 2a einen vergrößerten Ausschnitt einer ersten Resist-Maskierung, die bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlteilers eingesetzt wird, und
Fig. 2b einen vergrößerten Ausschnitt einer zweiten Resist-Maskierung; und
Fig. 3a und b jeweils schematische Darstellungen des dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung zugrundeliegenden Prinzips des thermischen Ionenaustauschs.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ohne jede Beschränkung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Optischer Strahlteiler 2 zur Auskopplung von Strahlung aus einem Laserstrahl 1, der aus einem Planglas 2 aus Brechzahlgradientenglas besteht, unter dessen Oberfläche mittels Ionendiffusion ein funktionstragendes Phasenhologramm eingebracht ist, wobei der Anteil der ausgekoppelten Strahlung praktisch unabhängig vom Montagewinkel des Strahlteilers 2 und von der Polarisation der Strahlung ist, und wobei ausserdem der Wirkungsgrad des Strahlteilers 2 ein eingeprägter Parameter des Strahlteilers 2 ist, und wobei die eingeprägten Merkmale mit einem nicht zu großen Beugungswinkel von < 0,2 rad einhergehen.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein erfindungsgemäßer Strahlteiler insbesondere derart ausgebildet, dass der Wirkungsgrad der Strahlteilung zwischen 0,1% bis 1% liegt, wobei geeigneter Weise der Strahlteiler 2 derart ausgebildet ist, dass der Wirkungsgrad der Strahlteilung über die gesamte Fläche des Strahlteilers (2) konstant ist und ausserdem ein Beugungswinkel für den abgeteilten Strahl vorteilhaft zwischen 0,1 rad und 0,2 rad liegt, und die Transmission für den durchgehenden Strahl oberhalb von 98% liegt.
Ein erfindungsgemäßer optischer Strahlteiler 2 kann ausserdem vorteilhaft auf einer Oberfläche und noch vorteilhafter auf beiden Oberflächen mit einer Antireflex- Schicht versehen sein.
Geeigneter Weise bedeckt das Phasenhologramm die gesamte freie Fläche eines erfindungsgemäßen Strahlteilers 2.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein erfindungsgemäßer Strahlteiler 2 derart ausgebildet, dass die ausgekoppelte Strahlung gebündelt (positive Linse) ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein erfindungsgemäßer Strahlteiler 2 ausserdem derart ausgebildet, dass der Strahlteiler (2) hohen Strahlleistungen > 600 W/cm2 (cw) und > 20 J/cm2 (puls) im sichtbaren (VIS) und angrenzenden (NIR)-Spektralbereich standhält.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das Phasenhologramm als dünnes binäres Phasengitter ausgebildet, dessen optische Wirkung einer off-axis Linse entspricht, und nach einer Abwandlung der vorstehenden Ausführung sind lokale Bereiche mit kleinen Substrukturen und Brechzahlgradienten in dem Phasenhologramm ausgebildet.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines optischen Strahlteilers 2 wird für das Brechzahlgradientenglas ein Brechzahlgradientenglas mit optimierter Ionenstruktur ausgewählt; und ausserdem wird das Phasenhologramm vorteilhaft mittels Ionendiffusion unter die Oberfläche eines Substrat-Glases eingebracht. Nach einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Brechzahlgradientenglas ein Glas mit der Bezeichnung BGG31 (Schott) ausgewählt oder ein Brechzahlgradientenglas mit vergleichbaren optischen und/oder strukturellen Eigenschaften. Nach einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein computergeneriertes Hologramm in Gestalt einer Resist-Maske auf das Substrat- Glas übertragen und daran anschließend das maskierte Glas in eine Schmelze aus NaNO3 und AgNO3 mit vorbestimmtem Mischungsverhältnis und vorbestimmter Temperatur über einen vorbestimmten Zeitraum eingetaucht.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines erfindungsgemäßen polarisationsunabhängigen Strahlteilers 2, der insbesondere aus einem Planglas aus Brechzahlgradientenglas mit geeigneter Weise zwei optisch polierten Oberflächen besteht, die ausserdem vorteilhaft mit einer Antireflex-Schicht versehen sein können.
Erfindungsgemäß ist unter die Oberfläche des Planglases ein funktionstragendes Phasenhologramm eingebracht, so dass ein definierter Anteil der durch den Strahlteiler durchtretenden Strahlung (Wirkungsgrad) von vorzugsweise weniger als ein Prozent mittels dem funktionstragenden Phasenhologramm ausgekoppelt wird. Mit anderen Worten wird somit mittels dem erfindungsgemäßen Strahlteiler 2 ein definierter durch das funktionstragende Phasenhologramm vorgegebener Leistungsanteil 1" aus einem Strahl 1 ausgekoppelt.
Der Anteil der ausgekoppelten Strahlung 1" ist dabei in vorbestimmten Grenzen unabhängig vom Montagewinkel des Strahlteilers 2, wobei sich ausserdem mögliche Verunreinigungen der Oberfläche auf beide Strahlen 1' und 1" in gleicher Weise auswirken. Der einfallende Laserstrahl 1 tritt als solcher - vermindert um die ausgekoppelte Strahlungsanteile 1" unbeeinflußt aus dem Strahlteiler 2 wieder aus. Das Phasenhologramm eines erfindungsgemäßen Strahlteilers 2 ist vorteilhaft als dünnes Phasenhologramm ausgebildet, das geeigneter Weise die gesamte freie Fläche des Strahlteilers 2 bedeckt. Das Phasenhologramm wirkt somit als hocheffizientes diffraktiv optisches Element im Inneren von Glas.
Der erfindungsgemäße Strahlteiler weist über die ganze Fläche hinweg einen konstanten und von der Polarisation der Strahlung praktisch unabhängigen Wirkungsgrad auf, wobei die ausgekoppelte Strahlung ausserdem gebündelt wird, so dass mittels eines Flächendetektors 3 eine direkte Laser-Strahlanalyse ermöglicht ist.
Ein erfindungsgemäßer Strahlteiler 2 kann auch unter einem Winkel von 45° in den Strahlengang angebracht zu werden, wobei der Einfallswinkel auch in der Nähe des Brewster Winkels von 56° liegen kann, so dass auch auf eine Anti-Reflex- Beschichtung verzichtet werden kann.
Der ausgekoppelte Strahl dient der Messung der integralen Strahlleistung (monitoring), oder der detaillierten Analyse der Strahldichte. Anwendung finden diese optischen Bauteile aus Glas in Systemen mit hohen optischen Leistungen.
Die optische Wirkung des dünnen (binären) Phasengitters entspricht der einer off- axis-Linse. Der Wirkungsgrad ist ein eingeprägter Parameter des Bauteils und kann Gegenstand der Spezifikation des optischen Bauteiles sein.
Ein erfindungsgemäßer Strahlteiler hat vorzugsweise eine Dicke von 2 mm.
Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen erfindungsgemäßen Strahlteilers 2 beschrieben.
Zur Herstellung eines optischen Strahlteilers 2 wird erfindungsgemäß zunächst für das Brechzahlgradientenglas ein Brechzahlgradientenglas mit optimierter Ionenstruktur ausgewählt, wobei geeigneter Weise ein strahlungsfestes Planglas ausgewählt wird dessen Planflächen entspiegelt sind. Nach einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Brechzahlgradientenglas ein Glas mit der Bezeichnung BGG31 (Schott) ausgewählt oder ein Brechzahlgradientenglas mit vergleichbaren optischen und/oder strukturellen Eigenschaften.
Ein Hologramm in Gestalt einer in Fig. 2a und b schematisch dargestellten Resist- Maske 3, 4 wird mittels Computer generiert und auf die Fläche des Substratglases übertragen. Die Maske 3 entspricht im einfachen Fall einer sogenannten Fresnel- Zonenplatte. Nach einer vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine holographische Maske 4 mit kleinen Substrukturen eingesetzt. Als Maske wird geeigneter Weise eine Ti-Maske ausgewählt.
Der Ionenaustausch erfolgt durch Eintauchen der maskierten Gläser in eine Schmelze aus NaNO3 und AgNO3 mit vorbestimmtem Mischungsverhältnis und mit einer vorbestimmten Prozessdauer und Temperatur (Fig. 3). An den Stellen, an denen die Maske durchlässig ist, findet in der Silbersalzschmelze ein Austausch von Na-Ionen und Ag-Ionen statt, wie in Fig. 3a und b schematisch dargestellt ist. Der Brechungsindex wird dabei partiell angehoben.
Der thermische Ionenaustausch dient dazu, um unter der holographischen Maske ein dünnes Phasenhologramm zu erzeugen, das unter der Oberfläche des Substrates im Inneren des Glases entsteht.
Bei Verwendung der holographischen Maske mit kleinen Substrukturen werden nach dem thermischen Ionenaustausch vermöge der kleinen Substrukturen lokale Bereiche mit angepasstem Brechzahlgradienten ausgebildet. Werden nämlich die Öffnungen der Maske hinsichtlich Form, Fläche und Dichte geeignet ausgewählt, so entstehen während des Diffusionsprozesses Zonen, die einem phasenangepasstem diffraktiven optischem Element sehr nahe kommen und eine Quasikinoform aufweisen. Bei optionalen erneutem Tempern des Glases auf die Diffusionstemperatur findet ein Ionenaustausch statt, so dass die Zonen vorteilhaft geglättet werden.
Das Phasenhologramm eines erfindungsgemäßen Strahlteilers 2 beugt einen, bewußt kleinen Anteil der Strahlung unter einem Winkel aus dem Strahl heraus. Dabei gibt es eine gegenläufige Abhängigkeit des Wirkungsgrades und der Größe des Beugungswinkels, die aus dem notwendigen kleinen Aspektverhältnis (< 0,5) zwischen der Diffusionstiefe und der lokalen Gitterkonstanten resultiert.
Die nachstehenden Tabellen A und B zeigen jeweils eine erstes und zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhafter Auswahl der Einstellung der Prozessparamater Temperatur, Zeit und Mischungsverhältnis jeweils unter Verwendung des Brechzahlgradientenglases BGG31. Erstes Ausführungsbeispiel (A) Ergebnis: höherer Wirkungsgrad eines erfindungsgemäßen Strahlenteilers

Zweites Ausführungsbeispiel (B) Ergebnis: höherer Auskopplungswinkel eines erfindungsgemäßen Strahlenteilers
Ein erfindungsgemäßer optischer Strahlteiler 2 kann insbesondere zur 1%- Strahlteilung für die optische Leistungsmessung und Strahlanalyse für Leistungslaser eingesetzt werden, wobei eine on-line integrale Leistungsmessung vorteilhaft off-axis und eine on-line Strahlprofil-Messung CCD erfolgt. Mittels dem erfindungsgemäßen planaren Fertigungsverfahren lassen sich große Stückzahlen kostengünstig in industrieller Serienproduktion herstellen.

Claims

1. Optischer Strahlteiler (2) zur Auskopplung von Strahlung aus einem Laserstrahl (1), bestehend aus:
einem Planglas (2) aus Brechzahlgradientenglas; und
einem funktionstragenden unter die Oberfläche des Planglases (2) eingebrachtem Phasenhologramm.

2. Optischer Strahlteiler (2) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
der Strahlteiler (2) ist derart ausgebildet, dass der Anteil der ausgekoppelten Strahlung unabhängig vom Montagewinkel des Strahlteilers (2) und von der Polarisation der Strahlung ist.

3. Optischer Strahlteiler (2) nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch:
der Wirkungsgrad des Strahlteilers (2) ist ein eingeprägter Parameter des Strahlteilers (2).

4. Optischer Strahlteiler (2) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch:
der Strahlteiler (2) ist derart ausgebildet, dass der Wirkungsgrad der Strahlteilung zwischen 0,1% bis 1% liegt.

5. Optischer Strahlteiler (2) nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch:
der Strahlteiler (2) ist derart ausgebildet, dass der Wirkungsgrad der Strahlteilung über die gesamte Fläche des Strahlteilers (2) konstant ist.

6. Optischer Strahlteiler (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch:
der Strahlteiler (2) ist derart ausgebildet, dass Beugungswinkel für den abgeteilten Strahl zwischen 0,1 rad und 0,2 rad liegen.

7. Optischer Strahlteiler (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch:
der Strahlteiler (2) ist derart ausgebildet, dass die Transmission für den durchgehenden Strahl oberhalb von 98% liegt.

8. Optischer Strahlteiler (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch:
wenigstens eine der Oberflächen des Strahlteilers ist mit einer Antireflex-Schicht versehen.

9. Optischer Strahlteiler (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch:
das Phasenhologramm überdeckt die gesamte freie Fläche des Strahlteilers (2).

10. Optischer Strahlteiler (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch:
der Strahlteiler (2) ist derart ausgebildet, dass die ausgekoppelte Strahlung gebündelt (positive Linse) ist.

11. Optischer Strahlteiler (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch:
für das Brechzahlgradientenglas wird ein Brechzahlgradientenglas mit der Bezeichnung BGG31 (Schott) oder ein Brechzahlgradientenglas mit vergleichbaren optischen und/oder strukturellen Eigenschaften verwendet.

12. Optischer Strahlteiler (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch:
der Strahlteiler (2) ist derart ausgebildet, dass der Strahlteiler (2) hohen Strahlleistungen > 600 W/cm2 (cw) und > 20 J/cm2 (puls) im sichtbaren (VIS) und angrenzenden (NIR)-Spektralbereich standhält.

13. Optischer Strahlteiler (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch:
das Phasenhologramm ist als dünnes binäres Phasengitter ausgebildet, dessen optische Wirkung einer off-axis Linse entspricht.

14. Optischer Strahlteiler (2) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch:
lokale Bereiche mit kleinen Substrukturen und Brechzahlgradienten, die in dem Phasenhologramm ausgebildet sind.

15. Verfahren zur Herstellung eines optischen Strahlteilers (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
für das Brechzahlgradientenglas wird ein Brechzahlgradientenglas mit optimierter Ionenstruktur ausgewählt; und
das Phasenhologramm wird mittels Ionendiffusion unter die Oberfläche eines Substrat-Glases eingebracht.

16. Verfahren nach Anspruch 15 gekennzeichnet durch:
Für das Brechzahlgradientenglas wird ein Brechzahlgradientenglas mit der Bezeichnung BGG31 (Schott) oder ein Brechzahlgradientenglas mit vergleichbaren optischen und/oder strukturellen Eigenschaften ausgewählt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16 gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Übertragung eines computergenerierten Hologramms in Gestalt einer Resist- Maske auf das Substrat-Glas;

- Eintauchen des maskierten Glases in eine Schmelze aus NaNO3 und AgNO3 mit einem vorbestimmtem Mischungsverhältnis und einer vorbestimmten Temperatur über einen vorbestimmten Zeitraum.

18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch:
das vorbestimmte Mischungsverhältnis umfasst einen AGNO3 Gehalt der Schmelze von etwa 95%;
die vorbestimmte Temperatur beträgt etwa 300°C; und
der vorbestimmte Zeitraum beträgt etwa 20 min.

19. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch:
das vorbestimmte Mischungsverhältnis umfasst einen AGNO3 Gehalt der Schmelze von etwa 80%;
die vorbestimmte Temperatur beträgt etwa 300°C; und
der vorbestimmte Zeitraum beträgt etwa 10 min.