DE19725262A1 - Optische Strahltransformationsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Strahltransformationsvorrichtung zur geometrischen Strahltransformation mindestens eines Eingangsstrahlbündels mit insbesondere bandförmigem Strahlquerschnitt, mit mindestens einem Strahlteiler, der das Eingangsstrahlbündel abschnittweise in mehrere in Längsrichtung nebeneinander angeordnete Teilstrahlbündel zerlegt, und mindestens einem in Strahlrichtung hinter dem Strahlteiler angeordneten Strahlkombinierer, der die Teilstrahlbündel in mindestens einem Ausgangsstrahlbündel in Querrichtung übereinander angeordnet abstrahlt.

Derartige Strahltransformationseinrichtungen werden insbesondere dazu verwendet, das von Laserdiodenarrays bzw. -barren oder daraus Stapeln emittierte Strahlbündel für Anwendungen aufzubereiten, die einen bezüglich der Abmessungen und der äußeren Form definierten Strahlquerschnitt erfordern. Diese Lichtquellen haben in der Regel längliche, schmale Emissionsflächen, so daß das Strahlbündel einen im wesentlich länglich­ rechteckigen Querschnitt hat. Die Fokussierung dieses Strahlbündels wird dadurch erschwert, daß in Längs- und Querrichtung erheblich voneinander abweichende Divergenz vorliegt.

Um bei den vorgenannten Strahlungsquellen dennoch eine Fokussierung auf einen möglichst rotationssymmetrischen Spot zu erreichen, ist es nach dem Stand der Technik bekannt, das Strahlbündel zu einem Leuchtband zu kollimieren und dieses mittels eines Strahlteilers in zunächst nebeneinander liegende, kurze Teilstrahlbündel aufzuteilen. Anschließend werden diese Teilstrahlbündel mittels eines refraktiven oder diffraktiven Strahlkombinierers derart räumlich umgeordnet, daß sie quer übereinander angeordnet sind und damit das durch deren Vereinigung gebildete Ausgangsstrahlbündel beispielsweise einen quadratischen Querschnitt erhält. Aufgrund der besseren Rotationssymmetrie im Vergleich zum schmalen Lichtband läßt sich dieses effizienter in ein optisches System mit einem kreisrunden Eingangsquerschnitt, beispielsweise eine Lichtleitfaser, einkoppeln.

Im Stand der Technik ist beispielsweise aus der EP 0 484 276 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem die Teilstrahlbündel um die Strahllängsachse rotiert und anschließend fokussiert werden, wodurch im Ausgangsfokus die einzelnen Teilstrahlen quer, d. h. übereinander gepackt sind. Ein ähnliches optisches System geht aus der US-PS 5 168 401 hervor, wobei die Strahlteilung über geneigte, äquidistante Reflexionsflächen erfolgt. Die entstehenden Teilstrahlbündel werden über weitere Reflexionsflächen wiederum in der vorbeschriebenen Weise zu einem Ausgangsstrahlbündel kombiniert. Bei der aus der DE 195 37 265 C1 bekannten Vorrichtung wird die Emissionsstrahlung mehrerer Laserdiodenzeilen zunächst zu einem langgezogenen, rechteckigen Leuchtband kombiniert, welches dann in einer sogenannten Rekombiniereinheit über erste geneigte Spiegelflächen in zunächst nebeneinander liegende Teilstücke aufgetrennt wird, die wiederum über weitere Spiegelflächen, wie auch in den anderen bekannten Vorrichtungen, übereinander gruppiert werden, so daß das rechteckige Ausgangsprofil ein günstigeres Längenverhältnis aufweist.

Mit den bekannten Vorrichtungen kann zwar ein langgezogenes Leuchtband in einen rechteckigen Strahlquerschnitt mit günstigerem Seitenverhältnis transformiert werden, doch selbst das im günstigsten Falle erzeugte quadratische Strahlprofil ist bei der Einkoppelung in ein kreisrundes optisches Element, beispielsweise eine Lichtleitfaser, nachteilig: Wird der quadratische Querschnitt nämlich so groß gewählt, daß der gesamte Querschnitt der Lichtleitfaser gleichmäßig ausgeleuchtet wird, entstehen durch die über deren kreisrunden Querschnitt überstehende Ecken des Quadrats Verluste. Wird das Rechteck hingegen so weit fokussiert, daß es vollständig in den Querschnitt der Faser fällt, wird diese nur teilweise ausgeleuchtet, wobei die lokale Maximalintensität nicht überschritten werden darf, um eine Überlastung und Beschädigung der Faser zu vermeiden. Deswegen läßt sich auch auf diese Weise die maximal übertragbare Leistung einer Lichtleitfaser nicht ausnutzen.

Ausgehend von dieser Problematik ergibt sich die Aufgabenstellung für die Erfindung, eine Strahltransformationsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche eine Strahlformung insbesondere von Eingangsstrahlbündeln mit langgezogenem, bandförmigem Querschnitt zu Ausgangsstrahlbündeln mit beliebigem Querschnitt ermöglicht. Insbesondere soll dadurch eine Möglichkeit geschaffen werden, von Laserdiodenarrays emittierte Laserstrahlbündel mit höherer Effizienz in Lichtleitfasern mit rundem Querschnitt einzukoppeln.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik vor, daß mindestens zwei Teilstrahlbündel relativ zueinander eine unterschiedliche Längserstreckung haben.

Gemäß der Erfindung wird das Eingangsstrahlbündel mittels des eingangsseitigen Strahlteilers - anders als im Stand der Technik - erstmals unäquidistant aufgeteilt, d. h. die einzelnen dabei gebildeten Teilstrahlbündel sind zumindest zum Teil ungleich lang. Indem diese unterschiedlich langen Teilstrahlbündel zeilenweise übereinander angeordnet werden, können beliebig vorgebbare Strahlquerschnitte zeilenweise ausgefüllt werden. Daraus ergibt sich unmittelbar, daß die gesamte eingekoppelte Strahlungsenergie mit nahezu größtmöglicher Effizienz in ein beliebiges Ausgangsstrahlprofil umgeformt werden kann.

Die Erfindung ermöglicht somit erstmals insbesondere die Einkopplung von Laserdiodenarrays mit bandförmigem Strahlquerschnitt in kreisrunde Lichtleitfasern mit bisher nicht gekannter Effizienz. Die von den unterschiedlich langen Teilstrahlbündeln ausgefüllte Fläche läßt sich nämlich praktisch mit jedem gewünschten Ausgangsquerschnitt nahezu vollständig zur Deckung bringen. Entsprechend sind die Verluste vernachlässigbar gering.

Vorteilhafterweise kann die Erfindung zur Realisierung eines kreisrunden Strahlquerschnitts benutzt werden, beispielsweise zur Einkopplung in eine Lichtleitfaser. Es ist jedoch gleichfalls möglich, beliebige andere Strahlquerschnitte zu programmieren, beispielsweise vieleckige, beliebig gerundete, elliptische, segmentförmige oder sonstige Spotformen. Die gleichzeitige Erzeugung von mehreren, beliebig geformten Ausgangsstrahlbündeln ist ebenfalls ohne weiteres durchführbar.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Strahlteiler als gestuftes Prismenelement ausgebildet ist, welches mehrere längs nebeneinander angeordnete, bezüglich des Eingangsstrahlbündels geneigte, jeweils planparallele Stufen aufweist, von denen mindestens zwei relativ zueinander eine unterschiedliche Längserstreckung haben. Dieses Prismenelement, welches bevorzugt monolithtisch ausgebildet ist, setzt sich praktisch aus einer Mehrzahl von unmittelbar aneinander angrenzenden, unterschiedlich dicken planparallelen Platten zusammen. Die Strahlteilung erfolgt, in dem die planparallelen Platten bezüglich ihrer Normalenrichtung gegen die Strahllängsrichtung gekippt werden. Die aus den stufenförmigen Plattenabschnitten austretenden Teilstrahlbündel, deren unterschiedliche Länge durch die unterschiedliche Längserstreckung der jeweiligen Stufen definiert wird, werden durch die Neigung der planparallelen Plattenabschnitte in Querrichtung gegeneinander versetzt abgestrahlt. Die somit quasi treppenförmig versetzt angeordneten Teilstrahlbündel lassen sich in einem nachfolgenden Schritt erfindungsgemäß umgruppieren.

Vorzugsweise ist der Strahlkombinierer als Treppenspiegel ausgebildet, der mehrere übereinander angeordnete, bezüglich der Teilstrahlbündel schräg stehende Spiegelflächen aufweist. Bei dem sogenannten Treppenspiegel sind die senkrechten Stufenkanten als Spiegelflächen ausgebildet. Die Höhen der Stufenkanten entspricht dabei zweckmäßigerweise der Breite der Teilstrahlbündel. Durch die Breite der Treppenstufen wird die relative Positionierung der einzelnen Teilstrahlbündel im Ausgangsstrahlbündel in Längsrichtung vorgegeben.

Für bestimmte Anwendungen kann es zweckmäßig sein, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlteilern und/oder Strahlkombinierern aufweist. Dadurch lassen sich praktisch in beliebiger Weise ein oder mehrere Eingangsstrahlbündel zu einem oder mehreren Ausgangsstrahlbündeln kombinieren bzw. umformen. Insbesondere kann beispielsweise das von mehreren Laserdiodenarrays emittierte Licht mit einem beliebigen Strahlquerschnitt in eine oder mehrere Lichtleitfasern eingekoppelt werden.

Mittels der Erfindung lassen sich auch in vorteilhafter Weise mehrere voneinander räumlich getrennte Ausgangsstrahlbündel erzeugen. Somit kann beispielsweise die Energie eines Hochleistungslasers beliebig netzförmig verteilt werden.

Zweckmäßigerweise ist in Strahlrichtung vor dem Strahlteiler eine Kollimatoroptik angeordnet. Diese ist beispielsweise mit einzelnen oder gekreuzten Zylinderlinsen versehen, um das Strahlbündel zu homogenisieren.

In Strahlrichtung hinter dem Strahlkombinierer wird zweckmäßigerweise eine Fokussieroptik angeordnet, um das Ausgangsstrahlbündel in eine nachfolgende Optik einzukoppeln, beispielsweise eine Lichtleitfaser.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß mehrere der erfindungsgemäßen Strahltransformationsvorrichtungen kaskadiert angeordnet sind. Durch eine solche Hintereinanderschaltung läßt sich beispielsweise mit besonders geringem Aufwand eine Strahlvervielfachung erreichen, da die Anzahl der jeweils erzeugten Ausgangsstrahlbündel multiplikativ anwächst. Dank der Erfindung ist es dabei jeweils möglich, den einzelnen Ausgangsstrahlbündeln jeweils einen beliebigen Querschnitt zu geben.

Eine besonders vorteilhafte Bauform von optischen Strahltransformationsvorrichtungen, die nicht allein auf die vorbeschriebene Anordnung zur geometrischen Strahltransformation beschränkt ist, sieht vor, daß eine Mehrzahl von optischen Elementen zu einem optischen Hybridchip zusammengefaßt sind, bei dem die optischen Elemente auf einer einstückigen Grundplatte unlösbar lagefixiert sind. Die einzelnen optischen Elemente lassen sich auf der Grundplatte mit hoher Präzision relativ zueinander fixieren, so daß die derart aufgebaute optische Funktionseinheit für einen bestimmten Anwendungszweck keinerlei Justage mehr erfordert. Derartige Hybridchips können sowohl für beliebige Standardanwendungen als auch für spezielle Einsatzzwecke konfiguriert werden, wobei auch eine besonders kostengünstige Massenfertigung denkbar ist.

Vorzugsweise sind in die Grundplatte Halterungen zur Aufnahme der optischen Elemente eingeformt. Dabei handelt es sich beispielsweise um nutförmige Vertiefungen, in welche die optischen Elemente mit der erforderlichen Präzision eingeklebt werden.

Vorzugsweise besteht die Grundplatte aus Quarz. Dieses Material hat besonders günstige mechanische Eigenschaften, beispielsweise einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Es ist jedoch gleichfalls denkbar, auf keramische Werkstoffe oder dergleichen zurückzugreifen.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Strahltransformationsvorrichtung sind im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Strahltransformationsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine Ansicht von oben auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Strahltransformationsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Strahltransformationsvorrichtung in einer dritten Ausführungsform;

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Hybridchip- Grundplatte.

In Fig. 1 ist die Strahltransformationsvorrichtung als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Diese weist eine Grundplatte 2 auf, auf der im Strahlengang hintereinander ein Kollimator 3, ein Strahlteiler 4, ein Strahlkombinierer 5 sowie eine Fokussieroptik 6 angeordnet sind. Eingangsseitig vor dem Kollimator 3 ist ein Laserdiodenbarren 7 dargestellt, dessen bandförmige Emissionsfläche auf den Kollimator 3 gerichtet ist.

Der Kollimator 3 besteht im wesentlichen aus einem Array von gekreuzten Zylinderlinsen. Damit wird das Eingangsstrahlbündel 8 für den Strahlteiler 4 in einem bandförmigen, d. h. langgezogen-rechteckigen Querschnitt homogenisiert.

Der Strahlteiler 4 ist als gestuftes Prismenelement ausgebildet, welches in Richtung der Längserstreckung des Eingangsstrahlbündels 8 aufeinanderfolgende, jeweils planparallele Stufen 4a aufweist. Wie aus der Darstellung erkennbar ist, sind die Stufen 4a unterschiedlich lang, wodurch auch die Strahlquerschnitte der austretenden Teilstrahlbündel 9 erfindungsgemäß unterschiedlich lang sind. Durch die Neigung des Strahlteilers 4 werden die Teilstrahlbündel 9 in Querrichtung treppenförmig versetzt abgestrahlt.

Der Strahlkombinierer 5 ist als Treppenspiegel ausgebildet, der eine Mehrzahl von reflektierenden Stufenkanten 5a aufweist. Deren Höhe entspricht jeweils der Breite eines Teilstrahlbündels 9, wobei die Kanten in der Strahlebene des Eingangsstrahlbündels 8 schräg gestellt sind. Die Breite der Stufen ist jeweils so eingestellt, daß die an den Stufenkanten 5a winklig abgelenkten Teilstrahlbündel 9 - in der Darstellung nach vorn - übereinander angeordnet, quasi gepackt, als Ausgangsstrahlbündel 10 abgestrahlt werden.

Das Ausgangsstrahlbündel 10, welches im dargestellten Beispiel einen annähernd kreisrunden Strahlquerschnitt hat, wird mittels der nachgeordneten Fokussieroptik 6 je nach Bedarf fokussiert.

Fig. 2, in der dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 Verwendung finden, zeigt eine Draufsicht von oben auf die Strahltransformationsvorrichtung 1. Daraus geht besonders gut die Anordnung der unterschiedlich breiten Teilstrahlbündel 9 hervor, die unterschiedlich schattiert dargestellt sind. In dieser Darstellung ist mit dem Bezugszeichen 11 eine Lichtleitfaser bezeichnet, in deren kreisrunden Querschnitt das ebenfalls annähernd kreisrunde Ausgangsstrahlbündel 10 mittels der Fokussieroptik 6 eingekoppelt wird.

Statt eines einzigen Laserdiodenbarrens 7 können gegebenenfalls auch mehrere nebeneinander oder auch übereinander zu einem Stack zusammengefaßt sein.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Strahltransformationsvorrichtung 1, wobei wiederum dieselben Bezugszeichen Verwendung finden. Die Besonderheit dieser Anordnung liegt darin, daß in Längsrichtung aufeinanderfolgend insgesamt fünf Strahlteiler 4 angeordnet sind, die jeweils wie der Strahlteiler 4 gemäß Fig. 1 bzw. 2 ausgebildet sind. Entsprechend sind auch fünf Strahlkombinierer 5 vorgesehen, welche jeweils ein Ausgangsstrahlbündel 10 mit kreisrundem Querschnitt abstrahlen. Mit dieser Vorrichtung kann somit beispielsweise das von einem Laserdiodenbarren 7 abgestrahlte Leuchtband auf mehrere - im vorliegenden Fall fünf - Lichtleitfasern verteilt werden.

Es ist ebenfalls denkbar, zwei Strahltransformationsvorrichtungen 1 gemäß Fig. 3 zu kaskadieren, d. h. die Ausgangsstrahlbündel 10 einer ersten Strahltransformationsvorrichtung 1 in eine zweite einzukoppeln. Auf diese Weise läßt sich mit relativ geringem Aufwand eine Strahlvervielfachung realisieren.

In Fig. 4 werden durch drei übereinander gestapelte Laserbarren 7 drei Eingangsstrahlbündel erzeugt, die unterschiedlich schattiert dargestellt sind. Über diesen jeweils zugeordnete Strahlteiler 3 sowie Strahlkombinierer 5 wird das gesamte von dem Laserdioden-Stack emittierte Licht zu einem Ausgangsstrahlbündel 10 mit kreisrundem Querschnitt kombiniert.

In der Darstellung ist besonders gut erkennbar, daß durch jeden einzelnen Laserdiodenbarren 7 eine Teilfläche des kreisrunden Ausgangsstrahlbündels 10 ausgeleuchtet wird.

Im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 sind die Strahlteiler 4 hierbei reflektiv ausgebildet, d. h. sie weisen stufenförmig angeordnete Spiegelflächen auf.

Fig. 5 zeigt eine Grundplatte 2, die es ermöglicht, beispielsweise Strahltransformationsvorrichtungen 1 als Hybridoptische Chips aufzubauen. Hierzu ist die vorzugsweise aus Quarz oder Keramik bestehende Grundplatte 2 mit U- und V-Nuten 12 versehen, die zur Aufnahme der optischen Elemente dienen. Diese lassen sich nämlich darin leicht mit der erforderlichen Präzision lagefixieren, beispielsweise durch Verklebung.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Strahltransformationsvorrichtung 1 liegt darin, daß sich mit relativ geringem Aufwand nahezu jeder beliebige Strahlquerschnitt des Ausgangsstrahlbündels 10 programmieren läßt.

Claims (12)

1. Optische Strahltransformationsvorrichtung zur geometrischen Strahltransformation mindestens eines Eingangsstrahlbündels mit insbesondere bandförmigem Strahlquerschnitt, mit mindestens einem Strahlteiler, der das Eingangsstrahlbündel abschnittweise in mehrere in Längsrichtung nebeneinander angeordnete Teilstrahlbündel zerlegt, und mindestens einem in Strahlrichtung hinter dem Strahlteiler angeordneten Strahlkombinierer, der die Teilstrahlbündel in mindestens einem Ausgangsstrahlbündel in Querrichtung übereinander angeordnet abstrahlt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Teilstrahlbündel (9) relativ zueinander eine unterschiedliche Längserstreckung haben.

2. Strahltransformationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (4) als gestuftes Prismenelement ausgebildet ist, welches mehrere längs nebeneinander angeordnete, bezüglich des Eingangsstrahlbündels (8) geneigte, jeweils planparallele Stufen (4a) aufweist, von denen mindestens zwei relativ zueinander eine unterschiedliche Längserstreckung haben.

3. Strahltransformationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkombinierer (5) als Treppenspiegel ausgebildet ist, der mehrere übereinander angeordnete, bezüglich der Teilstrahlbündel schrägstehende Spiegelflächen (5a) aufweist.

4. Strahltransformationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Strahlteilern (4) und/oder Strahlkombinierern (5) vorgesehen ist.

5. Strahltransformationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsstrahlbündel (10) einen quasi runden Querschnitt hat.

6. Strahltransformationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere voneinander räumlich getrennte Ausgangsstrahlbündel (10) abgestrahlt werden.

7. Strahltransformationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung vor dem Strahlteiler (4) eine Kollimatoroptik (3) angeordnet ist.

8. Strahltransformationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung hinter dem Strahlkombinierer (5) eine Fokussieroptik (6) angeordnet ist.

9. Strahltransformationsvorrichtung nach einem oder mehreren der Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strahltransformationsvorrichtungen (1) kaskadiert angeordnet sind.

10. Strahltransformationsvorrichtung mit einer Mehrzahl von optischen Elementen (3, 4, 5, 6), insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als optischer Hybridchip ausgebildet, bei dem die optischen Elemente auf einer einstückigen Grundplatte (2) unlösbar lagefixiert sind.

11. Strahltransformationsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Grundplatte (2) Halterungen (12) zur Aufnahme der optischen Elemente (3, 4, 5, 6) eingeformt sind.

12. Strahltransformationsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (2) aus Quarz besteht.