DE19827125A1 - Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus fasergekoppelten Laserdioden und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus fasergekoppelten Laserdioden und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus fasergekoppelten Laserdioden, die bei Überlagerung in einem Meßvolumen mittels einer Sendeoptik zur definierten Objektbeleuchtung in Laser-Doppler-Geräten geeignet sind. Die Aufgabe, eine neuartige Möglichkeit zur Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus fasergekoppelten Laserdioden zu finden, die die Anforderungen an den Kollimationszustand von Sendestrahlen in Laser-Doppler-Anordnungen erfüllt und einfach justierbar ist, wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Faserfixiereinrichtung (4) aus einer planparallelen Platte (42) besteht, die mindestens zwei bezüglich der durch die Sendeoptik (71) vorgegebenen optischen Achse paarweise symmetrische Ausnehmungen (43) zur Aufnahme der orthogonal in die Platte (42) befestigten Sendefasern (31) aufweist, wobei die Sendefasern (31) mit ihren Endflächen exakt mit der Verbindungsebene (45) übereinstimmen, an die ein starr gekoppeltes Linsenarray (5) anschließt, und das Linsenarray (5) aus einer planparallelen Trägerplatte (52) mit durch Kittung angebrachten Kollimationslinsen (51) besteht, wobei die Anzahl der Kollimationslinsen (51) sowie deren Lage in Anzahl und Position mit den zugeführten Sendefasern (31) und den Parametern der nachfolgenden Sendeoptik (71) übereinstimmt, und die optische Weglänge bis zur Kollimationslinse (51) durch Einstellen der Dicke der Trägerplatte (52) an die Apertur der Sendefasern (31) und die ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter
Laserstrahlenbündel, die aus fasergekoppelten Laserdioden bereitgestellt werden.
Derart präzise parallel und kollimiert justierte Laserstrahlenbündel werden
vorzugsweise in Laser-Doppler-Geräten als Sendestrahlen zur Beleuchtung von
bewegten streuenden Teilchen verwendet. Die Güte der Kollimation ist
Voraussetzung für eine hohe Meßgenauigkeit.
Seit der Einführung des Lasers haben sich Laser-Doppler-Meßgeräte, wie Laser-
Doppler-Anemometer (LDA), -Velocimeter (LDV), -Vibrometer und -Interferometer,
als Meßverfahren für Geschwindigkeit und Länge zielstrebig entwickelt. Dabei
werden bewegte Meßobjekte von einem Laserstrahl beleuchtet und die durch den
Dopplereffekt erzielte Frequenzverschiebung des Streulichts ausgewertet. Besonders
das sogenannte Kreuzstrahlprinzip hat sich als Laser-Doppler-Meßaufbau aufgrund
seiner relativen Unempfindlichkeit gegenüber Fehljustierungen durchgesetzt.
Die Meßgenauigkeit solcher Anordnungen hängt jedoch neben der Konstanz der
Wellenlänge auch noch wesentlich von der Krümmung der Wellenfronten der
beiden Sendestrahlen im Meßvolumen ab. Diesen Sachverhalt beschreiben F. DURST
et al. in Appl. Opt. 18 (1979) 4, S. 516-524, "Influence of Gaussian beam
properties on laser Doppler signals". Ideal ist deshalb - wegen der Ebenheit der
Wellenfronten in der Lasertaille - eine exakte Abbildung der Lasertaillen der
fokussierten Sendestrahlen in das Meßvolumen. Wird ein Gaslaser als Lichtquelle
verwendet, kann dessen natürliche geringe Divergenz ausgenutzt werden, um die
beiden über einen Strahlteiler erzeugten Sendestrahlen mit einer Sammellinse
(Sendelinse) im Meßvolumen zu überlagern.
Mit der Entwicklung der Laserdioden und deren zunehmend höherer Lebensdauer
und Leistung werden diese immer häufiger in Laser-Doppler-Geräten eingesetzt. Die
große Asymmetrie der Laserdiodenstrahlung und der große Öffnungswinkel
(numerische Apertur) führen jedoch zu großen Schwierigkeiten bei der Erzeugung
eines Gaußstrahles. Eine solche Strahltransformation ist normalerweise nur mit
aufwendigen mehrlinsigen Systemen möglich. Aus diesem Grund geht man
zunehmend zur Übertragung von zwei Sendestrahlen mit polarisationserhaltenden
Monomodefasern über, zumal fasergekoppelte Laserdioden verfügbar sind, die die
Sendestrahlen in einen Gaußstrahl transformieren. Diese Strahlführung ermöglicht
gleichzeitig eine kompakte Anordnung und eine galvanische Trennung von
Elektronik und optischer Sonde.
In seinem Aufsatz "Anwendungen von Halbleiterbauelementen in der Laser-
Doppler-Anemometrie, Teil II" (Laser Magazin 6/91, S. 8-15) zeigt C. TROPEA eine
optische Anordnung, bei der die Empfangslinse Bohrungen aufweist, durch die der
Sendestrahl ungehindert hindurchgeführt wird. Dabei verwendbare größere
Durchmesser der Empfangslinse verbessern das Streulichtsignal. Jede Sendefaser
wird hierbei in einer Ferrule verkittet, wobei diese Ferrulen-Faser-Anordnung mit
einem Schrägschliff versehen werden muß, um eine Rückreflexion in die Faser zu
unterdrücken. Schon wegen des schrägen Lichtaustritts erfordert eine solche
Anordnung eine aufwendige Justierung der Kollimationsoptik zu den
Faserausgängen, um die beiden Sendestrahlen zu kollimieren, exakt ins
Meßvolumen abzubilden und diesen Zustand zu fixieren. Auch die gewählte
Anwendung von zwei separaten Kollimationslinsen kann wegen der hohen
Justieranforderungen (in zweimal 3 Translations- und 3 Rotationsfreiheitsgraden)
keine ausreichende Stabilität und Reproduzierbarkeit des justierten Zustandes
bringen, so daß zum Teil erhebliche Einschränkungen der Meßgenauigkeit
eingerechnet werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Möglichkeit zur
Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus fasergekoppelten Laserdioden
zu finden, die die hohen Anforderungen an den Kollimationszustand von
Sendestrahlen in Laser-Doppler-Anordnungen erfüllt und einfach justierbar ist. Die
Erfindung ist weiterhin darauf gerichtet, Verfahren für eine reproduzierbare
Herstellung einer solchen Einrichtung zur Erzeugung kollimierter
Laserstrahlenbündel anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Einrichtung zur Erzeugung paralleler
kollimierter Strahlenbündel aus einer fasergekoppelten Laserdiode, die bei
Überlagerung in einem Meßvolumen mittels einer Sendeoptik geeignet sind zur
Objektbeleuchtung in Laser-Doppler-Geräten, dadurch gelöst, daß eine
Faserfixiereinrichtung und ein Linsenarray in einer Verbindungsebene flächig
miteinander in Kontakt sind, daß die Faserfixiereinrichtung eine planparallele Platte
ist und mindestens zwei Ausnehmungen, die paarweise symmetrisch bezüglich einer
durch die Sendeoptik vorgegebene optische Achse angeordnet sind, zur Aufnahme
der von der Laserdiode durch Verzweigung bereitgestellten Sendefasern aufweist,
wobei die Sendefasern in der Platte derart starr befestigt sind, daß die
Faserendflächen exakt mit der Verbindungsebene übereinstimmen, und daß das
Linsenarray aus einer planparallelen Trägerplatte mit starr befestigten
Kollimationslinsen besteht, wobei die Anzahl der Kollimationslinsen sowie deren
Lage mit der Anzahl und Position der zugeführten Sendefasern in der
Faserfixiereinrichtung und den Parametern der nachfolgenden Sendeoptik in
Übereinstimmung ist und die optische Weglänge durch die Trägerplatte bis zur
Kollimationslinse durch Einstellen der Dicke der Trägerplatte an die Apertur der
Sendefasern und die Brennweite der Sendeoptik so angepaßt ist, daß die
Lasertaillen der durch die Sendeoptik fokussierten Strahlenbündel bei der
Überlagerung im Meßvolumen zusammenfallen.
In der Faserfixiereinrichtung ist vorteilhaft mittig zwischen den Sendefasern und
entlang der durch die Sendeoptik vorgegebenen optischen Achse eine weitere
Lichtleitfaser als Empfangsfaser zur Lichtübertragung auf einen Empfänger
vorgesehen, wobei an Meßobjekten im Meßvolumen gestreutes Licht über die
Sendeoptik und eine gleichwertige Empfangsoptik auf das Faserende der
Empfangsfaser abgebildet wird. Die Empfangsoptik weist in diesem Fall zweckmäßig
Durchbrüche zum Durchlaß der Sendestrahlenbündel auf.
In einer vorteilhaften Gestaltung sind die Faserfixiereinrichtung und das Linsenarray
aus einer einheitlichen planparallelen Platte gefertigt, wobei die Verbindungsebene
durch hochgenaue Ausnehmungen einerseits von der Plattenvorderseite für die
Faserfixierung und andererseits von der Plattenrückseite für die Linsenfassung
definiert wird. Dabei reichen die Ausnehmungen für die Linsenfassung mit
verringertem Durchmesser bis an die Verbindungsebene heran, wobei die
Laserstrahlenbündel aus den Sendefasern in den Luftraum der jeweiligen
Ausnehmung austreten und von der Kollimationslinse kollimiert werden. Um eine
komplizierte Justage der Kollimationslinsen zu vermeiden, werden vorzugsweise
Kugellinsen verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Variante sind die Faserfixiereinrichtung und das
Linsenarray mittels einer brechzahlangepaßten Kittschicht starr miteinander
verbunden. Bei dieser Gestaltung sind die Kollimationslinsen des Linsenarrays
vorzugsweise in Form von Plankonvexlinsen mit ihrer Planfläche auf der im Lichtweg
rückseitigen Oberfläche der Trägerplatte aufgeklebt. Dazu sind sowohl die
Faserfixiereinrichtung als auch das Linsenarray für ihre Verkittung in der
Verbindungsebene zweckmäßig geschliffen und poliert, wobei somit in der
Faserfixiereinrichtung alle Faserenden exakt in einer Ebene angeordnet sind und im
Linsenarray die optische Weglänge des Verbundes aus Kittschicht, Trägerplatte und
Linsenkittschicht bis zur Kollimationslinse einstellbar ist.
Es erweist sich weiterhin als vorteilhaft, wenn die Faserfixiereinrichtung eine
planparallele Platte ist, die entlang einer Geraden im wesentlichen hälftig geteilt ist,
mindestens eine der Teilplatten entlang der Trennfläche Nuten aufweist, die
orthogonal zu den Plattenoberflächen angeordnet und so bemessen sind, daß die
Fasern beim anschließenden Zusammenfügen und Verkleben der Teilplatten spielfrei
durch die Teilplatten arretiert sind. Vorteilhafte Formen der Nuten sind rechteckige,
keilförmige oder trapezförmige Nuten.
Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Kollimationseinrichtung in einem
Laser-Doppler-Gerät (z. B. einem Anemometer) sind die Sendefasern vorzugsweise
aus einem integriert-optischen Chip ausgekoppelt, dessen Eingang von der
fasergekoppelten Laserdiode gespeist wird und auf dem ein Verzweiger sowie ein
Phasenmodulator zur Frequenzverschiebung zwischen den beiden Lichtwellen der
Sendefasern vorhanden sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur Herstellung einer
Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus einer
fasergekoppelten Laserdiode, die bei Überlagerung in einem Meßvolumen mittels
einer Sendeoptik geeignet sind zur Objektbeleuchtung in Laser-Doppler-Geräten,
dadurch gelöst, daß die Kollimationseinrichtung in zwei wesentlichen Teilprozessen,
der Fertigung einer Faserfixiereinrichtung und eines Linsenarrays, hergestellt wird,
daß zum Herstellen des Linsenarrays in eine planparallele Platte tubusförmige
Ausnehmungen zur Fassung von Kollimationslinsen eingebracht werden, wobei die
Positionen und die Tiefe der Ausnehmungen an die Parameter der verwendeten
Sendefasern und Sendeoptik so angepaßt werden, daß die in die parallel liegenden
tubusförmigen Ausnehmungen eintretenden Laserstrahlenbündel über die
Sendeoptik genau mit ihren Lasertaillen im Meßvolumen zur Überlagerung gebracht
werden und durch die einheitliche Tiefe der tubusförmigen Ausnehmungen eine zur
Oberfläche der planparallelen Platte parallele Verbindungsebene erzeugt wird, die
die Berührungsfläche zur Faserfixiereinrichtung darstellt, daß zur Fertigung der
Faserfixiereinrichtung in eine planparallele Platte Ausnehmungen zum genauen
Fixieren von mit der Laserdiode gekoppelten Sendefasern eingebracht werden, die
ein reproduzierbares Arretieren der Faserendflächen in der Verbindungsebene
gewährleisten, wobei die Positionen der Ausnehmungen zu den Achsen der
tubusförmigen Ausnehmungen derart ausgerichtet werden, daß die Achsen der
Sendefasern mit den Tubusachsen übereinstimmen und die Sendefasern jeweils in
der Verbindungsebene in die tubusförmigen Ausnehmungen einmünden.
In einer ersten vorteilhaften Ausführung des Verfahrens werden
Faserfixiereinrichtung und Linsenarray aus einer einheitlichen planparallelen Platte
hergestellt, wobei die Ausnehmungen der beiden Komponenten von
unterschiedlichen Seiten der planparallelen Platte eingebracht werden und sich in
einer virtuellen Verbindungsebene berühren. Die Ausnehmungen zur Aufnahme der
Fasern werden jeweils vorzugsweise als doppelte Zylinder ausgeführt, wobei ein
kleinerer Zylinderdurchmesser, der die Verbindungsebene berührt, nur den
Faserkern aufnimmt und gegenüber einem größeren Zylinderdurchmesser als
Anschlag bei der Einbringung der Fasern fungiert. Zur Herstellung der
Ausnehmungen kann vorteilhaft ein sogenanntes LIGA-Verfahren eingesetzt
werden, bei dem dreidimensionale Mikrostrukturen durch Aufeinanderfolge von
Lithographie mit Synchrotronstrahlung (Röntgentiefenlithographie), Galvano
formung und Abformtechnik mit Kunststoffen hergestellt werden.
In einer zweiten vorteilhaften Verfahrensvariante werden Faserfixiereinrichtung und
Linsenarray aus zwei unterschiedlichen planparallelen Platten hergestellt, wobei die
beiden unterschiedlichen Platten bezüglich der Faserachsen und der Achsen der
tubusförmigen Ausnehmungen aufeinander abgestimmt hergestellt, in der
Verbindungsebene zueinander ausgerichtet und miteinander verklebt werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe weiterhin bei einem Verfahren zur Herstellung
einer Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus einer
fasergekoppelten Laserdiode, die bei Überlagerung in einem Meßvolumen mittels
einer Sendeoptik geeignet sind zur Objektbeleuchtung in Laser-Doppler-Geräten,
dadurch gelöst, daß die Kollimationseinrichtung in zwei wesentlichen Teilprozessen,
der Fertigung einer Faserfixiereinrichtung und eines Linsenarrays, hergestellt wird,
daß zur Fertigung des Linsenarrays auf eine planparallele Trägerplatte plankonvexe
Kollimationslinsen aufgeklebt werden, wobei deren Position und Brennweite an die
Parameter des einfallenden Strahlenbündels und der nachfolgenden Sendeoptik so
angepaßt ist, daß von den Kollimationslinsen kollimierte Laserstrahlenbündel über
die Sendeoptik im Meßvolumen mit ihren Lasertaillen zur Überlagerung gebracht
werden, und die den aufgeklebten Kollimationslinsen gegenüberliegende
Oberfläche der Trägerplatte als Verbindungsebene zum Verbinden des Linsenarrays
mit der Faserfixiereinrichtung verwendet wird, wobei zur Einstellung der für die
definierte Überlagerung der Laserstrahlenbündel im Meßvolumen geeigneten
optischen Dicke aus Trägerplatte, Kollimationslinse und dazwischenliegender
Kittschicht die besagte Oberfläche der Trägerplatte flächig abgeschliffen wird, bis
die notwendige Dicke errreicht ist, daß zur Herstellung der Faserfixiereinrichtung in
eine weitere planparallele Platte durchgängige Ausnehmungen zur genauen
Fixierung von mit der Laserdiode gekoppelten Sendefasern eingebracht werden, die
ein orthogonales Arretieren der Sendefasern bezüglich der Plattenoberfläche in den
Ausnehmungen gewährleisten, wobei die Positionen der Ausnehmungen zu den
Achsen der Kollimationslinsen derart ausgerichtet werden, daß die Achsen der
Sendefasern mit denen der Kollimationslinsen übereinstimmen, die Sendefasern
jeweils in die Ausnehmungen eingeschoben und anschließend verklebt werden,
wobei die durch die rückseitige Plattenoberfläche vorgegebene Verbindungsebene
von den Sendefasern durchstoßen wird, und die überstehenden Enden der
Sendefasern bis auf die rückseitige Plattenoberfläche als Verbindungsebene
abgeschliffen werden, daß die Faserfixiereinrichtung und das Linsenarray mit ihren
als Verbindungsebenen definierten Plattenoberflächen zusammengefügt und
verklebt werden, wobei die Faserachsen mit den Achsen der Kollimationslinsen in
Übereinstimmung gebracht werden.
Es erweist sich bei der Ausnutzung von an Objekten rückgestreutem Licht als
Vorteil, mittig zwischen den Ausnehmungen für die Sendefasern eine weitere
Ausnehmung zur Aufnahme einer Empfangsfaser einzubringen.
Für sämtliche Ausnehmungen in der Faserfixiereinrichtung stehen unterschiedliche
Möglichkeiten der Einbringung in die planparallele Platte zur Verfügung.
Zum einen können die Ausnehmungen durch Laserbohren eingebracht werden,
wobei diese zweckmäßig zylindrisch oder konisch ausgeführt werden. Bei
geeigneter Wahl des Zylinderdurchmessers (als Kompromiß zwischen paßgenauer
Faserführung und zuverlässiger Einbringung der Faser mit Klebstoff) wird mit der
Verklebung des Fasermantels zugleich eine Zugentlastung erreicht. Für bestimmte
Bedingungen der Faserbeanspruchung zeigt es sich als Vorteil, den Faserkern
separat in der planparallelen Platte zu verkleben, indem die Ausnehmung als
doppelter Zylinder, der zum einen dem Kerndurchmesser und zum anderen dem
Manteldurchmesser der Faser angepaßt ist, ausgeführt wird. Für die Einklebung
wird der Faserkern am Faserende freigelegt.
Im konischen Fall werden die Ausnehmungen vorzugsweise mit ihrem großen
Durchmesser größer als der Außendurchmesser der Sendefasern ausgeführt und mit
ihrem kleinen Durchmesser in der Verbindungsebene an den Außendurchmesser
der Sendefasern angepaßt, wobei sich wie bei zylindrischer Ausnehmung die
Zugentlastung ergibt und die Montage vereinfacht wird. Soll auch hier der
Faserkern extra arretiert sein, ist der kleine Konusdurchmesser auf den
Kerndurchmesser abzustimmen und das Faserende entsprechend zu entmanteln.
Weiterhin wird mit dieser Maßnahme eine automatische Zentrierung der Fasern
erreicht.
Eine besonders zuverlässige und genaue Justierung der Sendefasern in der
Faserfixiereinrichtung geschieht durch Teilen der verwendeten planparallelen Platte
senkrecht zu den Plattenflächen, Einbringen von Nuten zur Aufnahme der Fasern in
mindestens eine der Trennflächen und Zusammenfügen der Trennflächen nach dem
Einlegen der Fasern in die Nuten. Dabei werden die Nuten vorteilhaft keil- oder
trapezförmig angefertigt und so bemessen, daß beim Zusammenfügen der
Teilplatten die eingelegten Fasern im wesentlichen spielfrei eingeschlossen und
zusätzlich verklebt werden.
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, daß die Justierung und Fixierung von
Fasern aus fasergekoppelten Laserdioden bezüglich der notwendigen
Kollimationslinsen und einer nachfolgenden fokussierenden Optik nur dadurch
vereinfacht und reproduzierbar durchgeführt werden können, wenn die Anzahl der
notwendigen Justierfreiheitsgrade (für zwei Sendefasern: zweimal drei Translations-
und drei Rotationsfreiheitsgrade) deutlich reduziert wird. Dazu wird gemäß der
Erfindung - abgestimmt auf das fokussierende optische System (Sendeoptik) und die
Parameter der verwendeten Fasern - ein Verbundsystem aus einer Faserfixier
einrichtung und einem Linsenarray innerhalb enger Fertigungstoleranzen
vorgeschlagen, mit dem Translations- und Rotationsfreiheitsgrade der Fasern und
der Kollimationslinsen untereinander sowie der Faserenden und der
Kollimationslinsen zueinander entfallen, so daß lediglich ein Rotationsfreiheitsgrad
und zwei Translationsfreiheitsgrade für den konkreten Einsatzfall (z. B. in einem
Laser-Doppler-Anemometer) mechanisch-optisch justiert werden müssen. Durch
einfache Herstellungsschritte, bei denen Fertigungstoleranzen klein gehalten oder
nachträglich (z. B. durch Planschleifen) korrigiert werden können, wird bei
Herstellung und Justierung der erfindungsgemäßen Kollimationseinrichtung eine
sehr große Reproduzierbarkeit erreicht.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht die Erzeugung paralleler kollimierter
Strahlenbündel aus fasergekoppelten Laserdioden, die die hohen Anforderungen an
den Kollimationszustand von Sendestrahlen in Laser-Doppler-Anordnungen erfüllen,
und ist einfach justierbar. Die Erfindung gewährleistet weiterhin eine
reproduzierbare Justierung bei der Herstellung einfacher Verbundkomponenten für
die Ankopplung von Lichtleitfasern und Kollimationslinsen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Optikschema eines Kreuzstrahl-LDA gemäß dem Stand der Technik
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Optikschema zur Erzeugung von kollimierten
Sendestrahlen mit einem Verbund aus zwei planparallelen Platten zur
Faserfixierung und zur Anordnung der Kollimationslinsen,
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Optikschema zur Erzeugung von kollimierten
Sendestrahlen mit einer einheitlichen planparallelen Platte
Fig. 4 ein vollständiges Optikschema zur Anwendung der erfindungsgemäßen
Einrichtung in einem LDA
Fig. 5 eine Variante der Faserfixiereinrichtung mit konischen Ausnehmungen zur
Aufnahme von vier Sendefasern und einer Empfangsfaser,
Fig. 6 eine Variante der Faserfixiereinrichtung mit zylindrischen Ausnehmungen
zur Aufnahme von zwei Sendefasern und einer Empfangsfaser,
Fig. 7 eine Variante zur Gestaltung der Faserfixiereinrichtung aus zwei Teilplatten
mit Nuten zur Aufnahme der Fasern.
Zur besseren Herausarbeitung der Erfindung ist in Fig. 1 ein dem Stand der Technik
entsprechendes Schema für ein faseroptisches Laser-Doppler-Anemometer (LDA)
nach dem Kreuzstrahl-Prinzip unter Ausnutzung des von bewegten Objekten
rückgestreuten Lichts dargestellt. Die von einer fasergekoppelten Laserdiode 1
ausgehende Lichtleitfaser 3 wird dabei in einen Lichtteiler- und Modulatorbaustein 2
geführt, der das Licht in zwei Sendefasern 31 aufteilt und eine Frequenzdifferenz
zwischen beiden Sendefasern 31 erzeugt. Die Sendefasern 31 sind
polarisationserhaltende Monomodefasern mit beliebiger Länge, so daß die
nachfolgenden Elemente in einem handlichen Sondenkopf zusammengefaßt
werden können. Die Enden der Sendefasern 31 werden zu ihrer hochgenauen
Justierung in sogenannten Ferrulen 41 gefaßt. Um Rückreflexionen an der
Faserendfläche zu vermeiden, ist jede Ferrule am Ende mit einem Schrägschliff
versehen, wobei sich der in dem vergrößerten Kreisausschnitt (übertrieben)
dargestellte Strahlverlauf ergibt. Das divergent austretende Strahlenbündel wird an
der schrägen Faserendfläche gebrochen und verläßt also unter dem
gekennzeichneten Winkel zur Faserachse die Sendefaser 31. Folglich ist für die
Erzeugung eines kollimierten Sendestrahlenbündels 61 auch die Achse der
Kollimationsoptik 51 leicht geneigt angeordnet und erschwert die Justierung der
gesamten Freistrahloptik erheblich. Daran verbessert auch die kompakte
Optikeinheit aus parametergleicher Sendeoptik 71 und Empfangsoptik 72 nur
wenig. Die Empfangsoptik 72, die zur Aufnahme von möglichst viel Streulicht
größer als der Abstand der Sendestrahlen 31 sein soll, weist Durchbrüche zum
unbeeinflußten Durchlaß der Sendestrahlen 31 auf. Damit ergeben sich sehr strenge
Anforderungen an den Kollimationszustand der Sendestrahlen 31 sowie die
Justierung der Sendestrahlenbündel im Meßvolumen 8, dem Kreuzungspunkt der
Strahlen beim danach benannten Kreuzstrahlprinzip. Diese Anforderungen machen
die Justierung aufgrund der Vielzahl der erforderlichen Einzeljustierungen (Ferrulen
41 mit Achsenverkippung zu Kollimationslinsen 51 und zu den Sende- und
Empfangsoptiken 71 und 72) und der Anzahl der Freiheitsgrade jedes einzelnen
Elements (3 Translations- und 3 Rotationsfreiheitsgrade) sehr aufwendig, störanfällig
und kaum reproduzierbar.
Beim meist verwendeten und in Fig. 1 dargestellten Rückstreuprinzip wird im
Meßvolumen 8 durch Streuung an bewegten Objektteilchen eine Intensitäts
modulation erzeugt. Über die Sendeoptik 71 und die Empfangsoptik 72 wird dieser
zeitliche Intensitätsverlauf als fokussiertes Streulicht 62 auf die ebenfalls von einer
Ferrule 41 gehalterten Empfangsfaser 32 abgebildet. Mittels der Empfangsfaser 32,
einer Multimodefaser, wird der Empfänger 9, der häufig eine Avalange-Photodiode
(APD) beinhaltet, mit dem intensitätsmodulierten Streulicht beaufschlagt und eine
Auswerteeinheit zur Auswertung von Dopplerfrequenzverschiebungen zur
Bestimmung von Dopplerfrequenz und abgeleiteter Größen, wie Geschwindigkeit
oder Länge der Bewegung, veranlaßt.
Dem gegenüber ist die Erfindung - bei gleichem Prinzipaufbau (Kreuzstrahl-Prinzip)
eines beliebigen Laser-Doppler-Meßgerätes - speziell darauf gerichtet, die kritische
Justierung zwischen den Enden der Sendefasern 31 und den Kollimationslinsen 51
zu vereinfachen und die Anzahl der Justierfreiheitsgrade zu verringern.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter
Strahlenbündel besteht in ihrem Grundaufbau - wie in Fig. 2 dargestellt - aus einer
Faserfixiereinrichtung 4 und einem Linsenarray 5, die in einer Verbindungsebene 45
starr miteinander verbunden sind. Die Besonderheit der Faserfixiereinrichtung 4 liegt
darin, daß für alle Sendefasern 31 eine planparallele Platte 42 vorgesehen ist, in die
orthogonal durchstoßende Ausnehmungen 43 maßhaltig in Übereinstimmung mit
den geometrisch-optischen Abbildungsverhältnissen der Sendeoptik 71 und den
Abmessungen der Sendefasern 31 eingebracht sind. Die Sendefasern 31 sind
orthogonal in der planparallelen Platte 42 so fixiert, daß die Endflächen der
Sendefasern 31 exakt mit der rückseitigen Plattenoberfläche, die zugleich die
Verbindungsebene 45 zum Faserarray 5 darstellt, bündig abschließen. Dieser
Justierzustand wird herstellungstechnisch zunächst durch Einschieben und
Verkleben der Sendefasern 31 mit Überstand der Faserenden und anschließend
durch Abschleifen der Sendefasern 31 bis auf die Oberfläche der Platte 42 exakt
erreicht.
Das Linsenarray 5 enthält den Sendefasern 31 im Faserarray 4 bezüglich Anzahl und
Abstand zugeordnete Kollimationslinsen 51 und besteht in dieser Variante aus einer
planparallelen Trägerplatte 52 aus optischem Glas (vorzugsweise Quarzglas), auf die
die Kollimationslinsen 51 aufgeklebt sind. Die Kollimationslinsen 51 sind
Plankonvexlinsen, vorzugsweise Halbkugellinsen, die mittels einer Kittschicht 53 mit
der Trägerplatte 52 einen optischen Verbund bilden. Dieser Verbund ist in seinen
Brechzahlen von Trägerplatte 52, Linsenkittschicht 53 und Kollimationslinsen 51 an
die Brechzahl der Sendefasern 31 angepaßt. Eine Kittschicht 54, durch die das
Linsenarray 5 starr mit der Faserfixiereinrichtung 4 verbunden ist, weist ebenfalls
eine auf die Brechzahl der Sendefasern 31 abgestimmte Brechzahl auf, so daß damit
Rückreflexionen an den Faserendflächen weitgehend vermieden werden.
Eine wesentliche Funktion im Linsenarray 5 kommt der optischen Dicke der
Trägerplatte 52 zusammen mit den angrenzenden Kittschichten, der Linsenkitt
schicht 53 und der Kittschicht 54, zu, weil damit die Abstandsverhältnisse der
Kollimationslinsen 51 zu den Enden der Sendefasern 31 eingestellt werden.
Abweichungen gegenüber der errechneten Dicke von Trägerplatte 52 und
Linsenkittschicht 53, die durch Fertigungstoleranzen der Linsenkittschicht 53
entstehen, werden bei der Herstellung des Linsenarrays 5 durch nachträgliches
Planschleifen der den Kollimationslinsen 51 gegenüberliegenden Oberfläche der
Trägerplatte 52 beseitigt. Beim Verkitten von Faserfixiereinrichtung 4 und
Linsenarray 5 sind in der Verbindungsebene 45 lediglich noch ein
Rotationsfreiheitsgrad und zwei Translationsfreiheitsgrade zu justieren, wobei dieser
Justiervorgang einmalig durchgeführt wird und der erreichte Zustand dann stabil
erhalten bleibt. Die Justierung erfolgt dabei durch Einspeisung von Licht in die
Sendefasern 31 und Kontrolle des Kollimationszustandes der parallelen
Sendestrahlenbündel 61 oder - wie weiter unten zu Fig. 5 und 6 noch spezieller
ausgeführt - Kontrolle des über die Sendeoptik 71 fokussierten Zustandes der
Lasertaillen im Meßvolumen 8 unter Einbeziehung einer Empfangsfaser 32,
Sendeoptik 71 und Empfangsoptik 72 als vollständige Justierung des Sende- und
Empfangskanals innerhalb eines Vorgangs.
Fig. 3 stellt den gleichen Grundaufbau der erfindungsgemäßen Kollimations
anordnung aus Faserfixiereinrichtung 4 und Linsenarray 5 dar, wobei in diesem Fall
die Faserfixiereinrichtung 4 zusätzlich zu den Ausnehmungen 43 für die
Sendefasern 31 eine weitere Ausnehmung 43 zur Aufnahme einer Empfangsfaser
32, die mittig zwischen den Sendefasern 31 in derselben Ebene (Zeichenebene)
positioniert ist, aufweist. Im Linsenarray 5 sind ebenfalls Ausnehmungen vorhanden,
die als tubusförmige Ausnehmungen 55 zur Fassung der Kollimationslinsen 51
vorgesehen sind. Diese Variante läßt sich geeignet, d. h. mit ausreichender
Genauigkeit, beispielsweise mit dem sogenannen LIGA-Verfahren herstellen. Das
LIGA-Verfahren ist ein spezielles Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen
durch die Prozesse Lithographie mit Synchrotronstrahlung (Röntgentiefen
lithographie), Galvanoformung und Kunststoff-Abformung. Faserfixiereinrichtung 4
und Linsenarray 5 können dabei als getrennte planparallele Platten in dieser Weise
in besonders engen Toleranzgrenzen gefertigt werden. Es ist aber auch vorteilhaft,
wie in Fig. 3 dargestellt, durch Abformung der Ausnehmungen 43 und 55 mittels
zweier unterschiedlicher Abformwerkzeuge, die sich gegenüberstehen und in der
Verbindungsebene 45 berühren, eine einheitliche planparallele Platte zu erzeugen.
Wie man Fig. 3 weiter entnehmen kann, sind die Ausnehmungen 43 für die
Sendefasern 31 und die Empfangsfaser 32 jeweils in zwei unterschiedlichen
Durchmessern gefertigt, so daß nach definierter Freilegung der Faserkerne 33 für
die Sende- und Empfangsfasern 31 und 32 ein Anschlag vorhanden ist, der die
Faserenden exakt in der Verbindungsebene positioniert. Die Kollimationslinsen 51,
vorzugsweise in Form von Kugellinsen, werden ebenfalls durch entspechend
angelegte Anschläge innerhalb der tubusförmigen Ausnehmungen 55 zuverlässig
positioniert und - wie auch die Sende- und Empfangsfasern 31 und 32 - durch
Verkleben arretiert. Um das von den bewegten Objektteilchen rückgestreute Licht
möglichst ungeschwächt auf die Empfangsfaser 32 abzubilden, wird für das von
den (in Fig. 3 nicht dargestellten) Sende- und Empfangsoptiken 71 und 72
fokussierte Streulicht 62 zweckmäßig eine geeignete Ausnehmung vorgesehen.
In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Kollimationsanordnung im Optikschema eines
faseroptischen Laser-Doppler-Anemometers (LDA) angewendet. Das Licht einer
fasergekoppelten Laserdiode 1 wird zur Teilung in zwei Sendestrahlen 31 und
Erzeugung einer Frequenzshift auf einen integriert-optischen Chip (IOC) 21 geleitet.
Der IOC 21 enthält einen Y-Verzweiger 22 sowie einen elektrooptischen
Phasenmodulator 23, der durch seine Elektroden dargestellt ist. Die den IOC 21
verlassenden Sendefasern 31 sind polarisationserhaltende Monomodefasern und
mit ihren Enden in die Ausnehmungen 43 der planparallelen Platte 42 der
Faserfixiereinrichtung 4 eingeklebt. Über die starr gekoppelte Trägerplatte 52 mit
den darauf gekitteten Kollimationslinsen 51 als Linsenarray 5 werden parallele,
kollimierte Sendestrahlenbündel 61 erzeugt, die eine Durchbrüche aufweisende
Empfangslinse 72 unbeeinflußt passieren und mittels einer Sendeoptik 71 mit ihren
Lasertaillen in das Meßvolumen 8 fokussiert werden. Im Meßvolumen 8 wird infolge
der im Phasenmodulator 23 erzeugten Frequenzdifferenz zwischen den zwei
Sendestrahlen 31 ein lnterferenzstreifenmuster erzeugt. Bei der Durchquerung des
Meßvolumens 8 streuen bewegte Objektteilchen das auf sie fallende Laserlicht
aufgrund des Streifenmusters intensitätsmoduliert. Über das System aus Sendeoptik
71 und Empfangsoptik 72, die optisch gleichwertig sind, wird ein Teil des Streulichts
(in diesem Fall rückgestreutes Licht) als fokussiertes Streulicht 62 auf die mittig
zwischen den Sendefasern 31 in der Platte 42 eingeklebte Empfangsfaser 32
abgebildet. Die Empfangsfaser 32 leitet das modulierte Licht auf den Empfänger 9
weiter, der vorzugsweise eine Avalange-Photodiode (APD) ist, an die sich eine
übliche Auswertung der Dopplerfrequenz und Berechnung der abgeleiteten
Größen, wie Geschwindigkeiten und Weglängen, der bewegten Objekte anschließt.
Fig. 5 zeigt im oberen Teil eine Draufsicht auf die Faserfixiereinrichtung 4, die in
diesem Beispiel eine kreisförmige planparallele Platte 42 mit einer Empfangsfaser 32
und vier Sendefasern 31 ist. Die hier gewählte symmetrische Anordnung von zwei
Paaren von Sendefasern 31 hat zum einen höhere thermische Stabilität zur Folge
und ermöglicht zum anderen die Vermessung von Teilchenbewegungen mit
Bewegungskomponenten in zwei Koordinatenrichtungen im Meßvolumen 8. Als
Materialien für die Platte 42 können verschiedene Werkstoffe, wie Glas,
Glaskeramik und bestimmte Stahlsorten, unter der Voraussetzung eingesetzt
werden, daß deren lineare Ausdehnungskoeffizienten an die des Linsenarrays 5 und
der Sende- und Empfangsfasern 31 und 32 angepaßt sind.
Im unteren Teil von Fig. 5 ist ein Schnitt entlang der Linie A-A der Draufsicht
dargestellt. Dabei haben die Ausnehmungen 43 eine konische Form. Um eine
einfachere und genaue Zentrierung aller Fasern 3 zu erreichen, ist der kleine
Durchmesser der konusförmigen Ausnehmung 43 an der Oberfläche der Platte 42,
die die Verbindungsebene 45 mit dem Linsenarray 5 bildet, an die Durchmesser der
Faserkerne 33 von Sendefasern 31 und Empfangsfaser 32 abgestimmt und der
große Durchmesser größer als die Außendurchmesser der Sende- und
Empfangsfasern 31 und 32, die dann am Faserende entmantelt werden müssen. Die
Enden aller Faserkerne 33 sind bündig mit der Verbindungsebene 45. Der
Herstellungsvorgang läßt sich unkompliziert gestalten, wenn der Außendurchmesser
der Fasern 3 in den konischen Ausnehmungen 43 etwa in der Mitte der Platte 42
liegt. In diesem Fall zentrieren sich die Sende- und Empfangsfasern 31 und 32
selbst, wenn sie mit Klebstoff versehen in die konischen Ausnehmungen 43
eingeführt werden. Dabei kommt der Abmessung des freigelegten Faserkerns 33
keinerlei Bedeutung zu, da der Faserkern 33 die Oberfläche der Platte 42, die die
Verbindungsebene 45 zum Linsenarray 5 bildet, beliebig weit durchstoßen kann,
wenn dieser Überstand nach der Verklebung der Fasern 3 abgeschliffen wird.
In Fig. 6 ist die Faserfixiereinrichtung 4 in gleicher Weise (in Draufsicht und als
Schnitt) wie in Fig. 5 dargestellt. Die Faserfixiereinrichtung 4 ist wiederum eine
kreisförmige planparallele Platte 42, in die entlang einer Durchmesserlinie
(Schnittebene B-B) zwei Sendefasern 31 und eine mittig dazwischen positionierte
Empfangsfaser 32 aufweist. Wie die Schnittdarstellung B-B zeigt, sind hier die
Ausnehmungen 43 für sämtliche Fasern 3 zylinderförmig und werden
herstellungstechnisch mit ausreichender Genauigkeit vorzugsweise durch
Laserbohren in die Platte 42 eingebracht. Die Fasern 3 werden dann durch die
Ausnehmungen 43 so eingeschoben und verklebt, daß sie die als
Verbindungsebene 45 dienende Oberfläche der Platte 42 durchstoßen. Nach
Aushärtung des Klebers werden durch Planschleifen die Enden der Sende- und
Empfangsfasern 31 und 32 exakt bündig mit der Verbindungsebene 45 in
Übereinstimmung gebracht.
Für die Fälle der Gestaltung der Faserfixiereinrichtung 4 gemäß den Fig. 5 und 6 mit
Einbringung der Empfangsfaser 32 zwischen den Sendefasern 31 wird neben den
eigentlichen Positionierungsvorteilen der Fasern 3 zusätzlich eine einheitliche
Justierung der Sendestrahlenbündel 61 zu der Abbildung des fokussierten
Streulichts 62 möglich. Dabei werden die kollimierten Sendestrahlenbündel 61 mit
ihren Lasertaillen in das Meßvolumen 8 fokussiert und zugleich die Empfangsfaser
32 während der Justierung und Verkittung von Faserfixiereinrichtung 4 und
Linsenarray 5 als Lichteingang benutzt und das Faserende der Empfangsfaser 32 auf
denselben Punkt im Meßvolumen 8 abgebildet. Der Justierzustand wird auf einem
Monitor beobachtet, optimiert und gehalten, bis er schließlich mit der Aushärtung
der Kittschicht 54 fixiert ist.
In Fig. 7 ist eine weitere Draufsicht auf die planparallele Platte 42 der
Faserfixiereinrichtung 4, die wiederum zwei Sendefasern 31 und eine Empfangsfaser
32 definiert haltert, dargestellt. Die Besonderheit liegt in diesem Beispiel in der
besonderen Art der Herstellung der Platte 42, die in diesem Fall aus zwei Teilplatten
47 besteht. Obwohl beide Teilplatten 47 prinzipiell aus verschiedenen Materialien
bestehen können, da sie optisch ohne Funktion sind, wird vorzugsweise eine
einheitliche Platte 42 entlang einer Ebene orthogonal zu den Plattenoberflächen
geteilt. In eine der dabei entstehenden Trennflächen werden Nuten 48
entsprechend den oben beschriebenen optischen Erfordernissen eingebracht, in die
die Sendefasern 31 im gleichen Abstand beiderseits von der Empfangsfaser 32
eingelegt werden. Die Nuten 48 sind in diesem Beispiel keilförmig. Sie können auch
trapezförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. In jedem Fall sind sie so
tief in die Trennfläche einzubringen, daß die Fasern 3 - auch bei unterschiedlicher
Dicke der Sende- und Empfangsfasern 31 und 32 - um den gleichen Betrag aus der
Trennfläche herausragen. Beim Verkleben mit der anderen Teilplatte 47 werden
dadurch sämtliche Fasern 3 spielfrei und orthogonal arretiert. Die Plattenverklebung
49 dient nur noch der Fixierung des arretierten Zustandes. Sind die Durchmesser
von Sende- und Empfangsfasern 31 bzw. 32 allerdings zu verschieden, so daß die
Abweichung von der einheitlichen Ebene der Sende- und Empfangsfasern 31 und 32
wegen der zu erwartenden Verluste bei Aufnahme des fokussierten Streulichts 62
(siehe Fig. 4) nicht mehr toleriert werden kann, werden zweckmäßig in beide
Teilplatten 47 Nuten 48 eingebracht.
Nach dem Verkleben der Teilplatten 47 wird die gesamte Platte 42, insbesondere
zur Einebnung der Faserenden der Sende- und Empfangsfasern 31 und 32,
plangeschiffen und erhält damit wiederum die erforderliche Übereinstimmung der
Faserenden mit der Verbindungebene 45 zur Ankopplung an das Linsenarray 5.
Mit der erfindungsgemäßen Art der Herstellung definierter Verhältnisse der
Faserenden der Sendefasern 31 und der Empfangsfaser 32 ergibt sich ein weiterer
Vorteil für den ohnehin schon vereinfachten optischen Justiervorgang (nur noch
zwei Translationsfreiheitsgrade und ein Rotationsfreiheitsgrad). In diesem Fall wird
der Verbund aus Faserfixiereinrichtung 4 und Linsenarray 5 bei der Verklebung
durch die Kittschicht 54 entlang der Verbindungsebene 45 (siehe Fig. 2 und 4) am
einfachsten realisiert, indem in die Empfangsfaser 32 Licht eingespeist wird. Durch
Positionieren eines ausreichend gut reflektierenden oder streuenden (stationären)
Objekts im Meßvolumen 8 wird dann der Fokussierzustand der zurücklaufenden,
durch die Kollimationslinsen 51 auf die Enden der Sendefasern 31 fokussierten
Strahlenbündel 6 während des Kittvorganges optimiert. Damit ist ein ausreichend
genaues, reproduzierbares und besonders einfaches Verfahren zur Herstellung einer
Kollimationsanordnung gegeben.
1
Laserdiode (fasergekoppelt)
2
Lichtteiler- und Modulatorbaustein
21
IOC (integriert-optischer Chip)
22
Y-Verzweiger
23
Phasenmodulator
3
Fasern
31
Sendefasern
32
Empfangsfaser
33
Faserkern
4
Faserfixiereinrichtung
41
Ferrule
42
(planparallele) Platte
43
Ausnehmung
44
Laserbohrung
45
Verbindungsebene
46
Faserverklebung
47
Teilplatte
48
Nuten
49
Plattenverklebung
5
Linsenarray
51
Kollimationslinsen
52
Trägerplatte
53
Linsenkittschicht
54
Kittschicht
55
tubusförmige Ausnehmung
6
Strahlenbündel
61
Sendestrahlenbündel
62
fokussiertes Streulicht
71
Sendeoptik
72
Empfangsoptik
8
Meßvolumen
9
Empfänger
Claims (27)
1. Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus einer
fasergekoppelten Laserdiode, die bei Überlagerung in einem Meßvolumen
mittels einer Sendeoptik geeignet sind zur Objektbeleuchtung in Laser-Doppler-
Geräten, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. eine Faserfixiereinrichtung (4) und ein Linsenarray (5) in einer Verbindungsebene (45) flächig miteinander in Kontakt sind,
- 2. die Faserfixiereinrichtung (4) eine planparallele Platte (42) ist und mindestens zwei Ausnehmungen (43), die paarweise symmetrisch bezüglich einer durch die Sendeoptik (71) vorgegebenen optischen Achse angeordnet sind, zur Aufnahme der von der Laserdiode (1) durch Verzweigung bereitgestellten Sendefasern (31) aufweist, wobei die Sendefasern (31) orthogonal und starr in der Platte (42) derart befestigt sind, daß die Faserendflächen exakt mit der Verbindungsebene (45) übereinstimmen, und
- 3. das Linsenarray (5) aus einer planparallelen Trägerplatte (52) mit durch Kittung starr angebrachten Kollimationslinsen (51) besteht, wobei die Anzahl der Kollimationslinsen (51) sowie deren Lage mit der Anzahl und Position der zugeführten Sendefasern (31) in der Faserfixiereinrichtung (4) und den Parametern der nachfolgenden Sendeoptik (71) in Übereinstimmung sind und die optische Weglänge durch die Trägerplatte (52) bis zur Kollimationslinse (51) durch Einstellen der Dicke der Trägerplatte (52) an die Apertur der Sendefasern (31) und die Brennweite der Sendeoptik (71) so angepaßt ist, daß die Lasertaillen der durch die Sendeoptik (71) fokussierten Strahlenbündel (6) bei der Überlagerung im Meßvolumen (8) zusammenfallen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Faserfixiereinrichtung (4) mittig zwischen den Sendefasern (31) und
entlang der durch die Sendeoptik (71) vorgegebenen optischen Achse eine
weitere Lichtleitfaser (3) als Empfangsfaser (32) zur Lichtübertragung auf den
Empfänger (9) vorgesehen ist, wobei an Meßobjekten im Meßvolumen (8)
gestreutes Licht über die Sendeoptik (71) und eine gleichwertige Empfangsoptik
(72) auf das Faserende der Empfangsfaser (32) abgebildet wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Empfangsoptik (72) Durchbrüche zum Durchlaß der Sendestrahlenbündel (6)
aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Faserfixiereinrichtung (4) und das Linsenarray (5) aus einer einheitlichen
planparallelen Platte gefertigt sind, wobei die Verbindungsebene (45) durch
hochgenaue Ausnehmungen (43; 55) einerseits von der Plattenvorderseite für
die Faserfixierung und andererseits von der Plattenrückseite für die
Linsenfassung definiert wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausnehmungen für die Linsenfassung als tubusförmige Ausnehmung (55) bis
an die Verbindungsebene (45) heranreichen, wobei die Laserstrahlenbündel (6)
aus den Sendefasern (31) divergent in die jeweilige tubusförmige Ausnehmung
(55) austreten und von der Kollimationslinse (51) kollimiert werden.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kollimationslinsen (51) Kugellinsen sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Faserfixiereinrichtung (4) mittels einer brechzahlangepaßten Kittschicht (54)
starr mit dem Linsenarray (5) verbunden ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kollimationslinsen (51) in Form von Plankonvexlinsen mit ihrer Planfläche auf
der im Lichtweg rückseitigen Oberfläche der Trägerplatte (52) aufgeklebt sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl die Faserfixiereinrichtung (4) als auch das Linsenarray (5) für ihre
Verkittung in der Verbindungsebene (45) geschliffen und poliert sind, wobei
damit in der Faserfixiereinrichtung (4) alle Faserenden exakt in einer Ebene
angeordnet sind und im Linsenarray (5) die optische Weglänge des Verbundes
aus Kittschicht (54), Trägerplatte (52) und Linsenkittschicht (53) bis zur
Kollimationslinse (51) einstellbar ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Faserfixiereinrichtung (4) eine planparallele Platte (42) ist, die entlang einer
Geraden im wesentlichen hälftig geteilt ist, und
mindestens eine der Teilplatten (47) in der Trennfläche Nuten (48) aufweist, die
orthogonal zu den Plattenoberflächen angeordnet und so bemessen sind, daß
die Fasern (31; 32) beim anschließenden Zusammenfügen und Verkleben der
Teilplatten (47) spielfrei durch die Teilplatten (47) arretiert sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nuten (48) in der Trennfläche rechteckige Nuten (48) sind.
12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nuten (48) in der Trennfläche keilförmige Nuten (48) sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nuten (48) in der Trennfläche trapezförmige Nuten (48) sind.
14. Einrichtung nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sendefasern (31) aus einem integriert-optischen Chip (21) ausgekoppelt sind,
dessen Eingang von der fasergekoppelten Laserdiode (1) gespeist wird und auf
dem ein Verzweiger (22) sowie ein Phasenmodulator (23) zur
Frequenzverschiebung zwischen den beiden Lichtwellen der Sendefasern (31)
vorhanden sind.
15. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter
Strahlenbündel aus einer fasergekoppelten Laserdiode, die bei Überlagerung in
einem Meßvolumen mittels einer Sendeoptik geeignet sind zur
Objektbeleuchtung in Laser-Doppler-Geräten, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. die Kollimationseinrichtung in zwei wesentlichen Teilprozessen, der Fertigung einer Faserfixiereinrichtung (4) und eines Linsenarrays (5), hergestellt wird,
- 2. zum Herstellen des Linsenarrays (5) in eine planparallele Trägerplatte (52) tubusförmige Ausnehmungen (55) zur Fassung von Kollimationslinsen (51) eingebracht werden, wobei die Positionen und die Tiefe der tubusförmigen Ausnehmungen (55) an die Parameter der verwendeten Sendefasern (31) und Sendeoptik (71) so angepaßt werden, daß die in die parallelen tubusförmigen Ausnehmungen (55) eintretenden Laserstrahlenbündel (6) über die Sendeoptik (71) genau mit ihren Lasertaillen im Meßvolumen (8) zur Überlagerung gebracht werden und durch die einheitliche Tiefe der tubusförmigen Ausnehmungen (55) eine zur Oberfläche der planparallelen Trägerplatte (52) parallele Verbindungsebene (45) erzeugt wird, die die Berührungsfläche zur Faserfixiereinrichtung (4) darstellt,
- 3. zur Fertigung der Faserfixiereinrichtung (4) in eine planparallele Platte (42) Ausnehmungen (43) zum genauen Fixieren von mit der Laserdiode (1) gekoppelten Sendefasern (31) eingebracht werden, die ein reproduzierbares Arretieren der Faserendflächen in der Verbindungsebene (45) gewährleisten, wobei die Positionen der Ausnehmungen (43) zu den Achsen der tubusförmigen Ausnehmungen (55) derart ausgerichtet werden, daß die Achsen der Sendefasern (31) mit den Achsen der tubusförmigen Ausnehmungen (55) übereinstimmen und die Sendefasern (31) jeweils in der Verbindungsebene (45) in die tubusförmigen Ausnehmungen (55) einmünden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
Faserfixiereinrichtung (4) und Linsenarray (5) als eine einheitliche planparallele
Platte hergestellt werden, wobei die Ausnehmungen (43; 55) der beiden
Komponenten von unterschiedlichen Seiten der planparallelen Platte eingebracht
werden und sich in einer virtuellen Verbindungsebene (45) berühren.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausnehmungen (43) zur Aufnahme der Fasern (31; 32) jeweils als doppelte
Zylinder ausgeführt werden, wobei ein kleinerer Zylinderdurchmesser, der die
Verbindungsebene (45) berührt, nur den Faserkern (33) aufnimmt und
gegenüber dem größeren Zylinderdurchmesser als Anschlag bei der Einbringung
der Fasern (31; 32) fungiert.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Herstellung der Ausnehmungen (43; 55) ein sogenanntes LIGA-Verfahren
eingesetzt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
Faserfixiereinrichtung (4) und Linsenarray (5) aus zwei unterschiedlichen
planparallelen Platten (42; 52) hergestellt werden, wobei die beiden
unterschiedlichen Platten (42; 52) bezüglich der Achsen der Fasern (31) und der
tubusförmigen Ausnehmungen (55) in der Verbindungsebene (45) zueinander
ausgerichtet und miteinander verklebt werden.
20. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter
Strahlenbündel aus einer fasergekoppelten Laserdiode, die bei Überlagerung in
einem Meßvolumen mittels einer Sendeoptik geeignet sind zur
Objektbeleuchtung in Laser-Doppler-Geräten, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. die Kollimationseinrichtung in zwei wesentlichen Teilprozessen, der Fertigung einer Faserfixiereinrichtung (4) und eines Linsenarrays (5), hergestellt wird,
- 2. zur Fertigung des Linsenarrays (5)
- 1. auf eine planparallele Trägerplatte (52) plankonvexe Kollimationslinsen (51) aufgeklebt werden, wobei deren Position und Brennweite an die Parameter des einfallenden Strahlenbündels (6) und der nachfolgenden Sendeoptik (71) so angepaßt ist, daß von den Kollimationslinsen (51) kollimierte Laserstrahlenbündel (61) über die Sendeoptik (71) im Meßvolumen (8) mit ihren Lasertaillen zur Überlagerung gebracht werden,
- 2. die den aufgekebten Kollimationslinsen (51) gegenüberliegende Oberfläche der Trägerplatte (52) als Verbindungsebene (45) zum Verbinden des Linsenarrays (5) mit der Faserfixiereinrichtung (4) verwendet wird, wobei zur Einstellung der für die definierte Überlagerung der Laserstrahlenbündel (6) im Meßvolumen (8) geeigneten optischen Dicke aus Trägerplatte (52), Kollimationslinse (51) und dazwischenliegender Kittschicht (53) die besagte Oberfläche der Platte flächig abgeschliffen wird, bis die notwendige Dicke der Trägerplatte (52) errreicht ist,
- 3. zur Herstellung der Faserfixiereinrichtung (4)
- 1. in eine weitere planparallele Platte (42) durchgängige Ausnehmungen (43) zur hochgenauen Fixierung von mit der Laserdiode (1) gekoppelten Sendefasern (31) eingebracht werden, die ein orthogonales Arretieren der Sendefasern (31) bezüglich der Plattenoberfläche in den Ausnehmungen (43) gewährleisten, wobei die Positionen der Ausnehmungen (43) zu den Achsen der Kollimationslinsen (51) derart ausgerichtet werden, daß die Achsen der Sendefasern (31) mit denen der Kollimationslinsen (51) übereinstimmen,
- 2. die Sendefasern (31) jeweils in die Ausnehmungen (43) eingeschoben werden, wobei die durch die rückseitige Plattenoberfläche vorgegebene Verbindungsebene (45) von den Sendefasern (31) durchstoßen wird, und anschließend verklebt werden, und
- 3. die die rückseitige Plattenoberfläche durchstoßenden Enden der Sendefasern (31) auf das Niveau der Plattenoberfläche als Verbindungsebene (45) abgeschliffen werden,
- 4. die Faserfixiereinrichtung (4) und das Linsenarray (5) mit den zur Verbindungsebene (45) definierten Plattenoberflächen in Kontakt gebracht und verklebt werden, wobei die Achsen der Fasern (3) mit denen der Kollimationslinsen (51) in Übereinstimmung gebracht werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
mittig zwischen den Ausnehmungen (43) für die Sendefasern (31) eine weitere
Ausnehmung (43) zur Aufnahme einer Empfangsfaser (32) eingebracht wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausnehmungen (43) in die Faserfixiereinrichtung (4) durch Einbringen einer
Laserbohrung (44) hergestellt werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausnehmungen (43) in der Faserfixiereinrichtung (4) zylindrisch ausgeführt
werden.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausnehmungen (43) in der Faserfixiereinrichtung (4) konisch ausgeführt
werden.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß
die konischen Ausnehmungen (43) der Faserfixiereinrichtung (4) mit ihrem
großen Durchmesser größer als der Außendurchmesser der Fasern (31; 32)
ausgeführt und mit ihrem kleinen Durchmesser in der Verbindungsebene (45) an
den Durchmesser der Faserkerne (33) angepaßt werden, wobei nach der
anschießenden Verklebung der Mantel der Fasern (31; 32) als Zentrierhilfe und
Zugentlastung dient.
26. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausnehmungen (43) in die Faserfixiereinrichtung (4) durch
- 1. Teilen der verwendeten planparallelen Platte (42) senkrecht zu den Plattenoberflächen in zwei Teilplatten (47),
- 2. Einbringen von Nuten (48) zur Aufnahme der Fasern (3) in mindestens eine der Trennflächen der Teilplatten (47) und
- 3. Zusammenfügen der Teilplatten (47) nach dem Einlegen der Fasern (3) in die Nuten (48),
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nuten (48) keil- oder trapezförmig angefertigt und so bemessen werden,
daß beim Zusammenfügen der Teilplatten (47) die eingelegten Fasern (3) im
wesentlichen spielfrei eingeschlossen und zusätzlich verklebt werden.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998127125 DE19827125A1 (de) | 1998-06-18 | 1998-06-18 | Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus fasergekoppelten Laserdioden und Verfahren zu ihrer Herstellung |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1998127125 DE19827125A1 (de) | 1998-06-18 | 1998-06-18 | Einrichtung zur Erzeugung paralleler kollimierter Strahlenbündel aus fasergekoppelten Laserdioden und Verfahren zu ihrer Herstellung |
Publications (1)
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