WO2005006054A2 - Anordnung zur transformation eines optischen strahlungsfelds - Google Patents

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WO2005006054A2
WO2005006054A2 PCT/EP2004/007219 EP2004007219W WO2005006054A2 WO 2005006054 A2 WO2005006054 A2 WO 2005006054A2 EP 2004007219 W EP2004007219 W EP 2004007219W WO 2005006054 A2 WO2005006054 A2 WO 2005006054A2
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radiation field
partial
radiation
partial radiation
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Martin Traub
Rudolf Meyer
Keming Du
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0972—Prisms

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for transforming an optical radiation field, which propagates in the z direction and which has a symmetrical beam parameter product in the x and y directions, by means of transformation optics into a radiation field with an asymmetrical beam parameter product, the x, y - and z directions form a right-angled coordinate system.
  • the available output beams are usually radiation fields with a symmetrical beam parameter product.
  • either cylindrical lenses are used or scanners are used which deflect the beam in time and generate a quasi-continuous, linear radiation field at high scanning frequencies.
  • Such cylindrical lenses or scanners can be called transformation optics.
  • cylindrical lenses are disadvantageous in that they do not change the beam quality of the fast and slow axes and therefore cannot be used in high aspect ratios.
  • the disadvantage of using scanners is the temporal distraction, the segmentation of the line and the mechanical sensitivity of the structure.
  • the object of the present invention is to create an arrangement with which a radiation field with a symmetrical beam parameter product is transformed so that it becomes a linear focus at a large distance from the focusing element and at the same time very small dimensions in one direction with large dimensions in the direction orthogonal to it, while achieving a high efficiency and a high aspect ratio, without moving parts.
  • the object is also achieved by an arrangement for transforming an optical radiation field which propagates in the z direction and which has a symmetrical beam parameter product in the x and y directions, by means of transformation optics into a radiation field with an asymmetrical beam parameter product, the x, y and z directions form a rectangular coordinate system; the arrangement is characterized in that the radiation field with the transformation optics is first segmented into at least two partial radiation fields in the y direction, and that these partial radiation fields are each rotated through the z axis by 90 ° with the transformation optics and the rotated partial radiation fields are closed a line in the x direction.
  • an optical radiation field with symmetrical parameter products in the x and y directions is subdivided into at least two partial radiation fields in the y direction in the transformation optics. These two partial radiation fields are then offset by means of the transformation optics in a direction perpendicular to it (y direction)), or in one direction with an essential vector component in the y direction, in order to then offset these offset partial radiation fields in a further step in the direction perpendicular to the first offset, ie in the x direction, push that the focal points of the power density distributions of the partial radiation fields lie on one line.
  • the radiation field to be reshaped with a symmetrical beam parameter product can be, for example, a rotationally symmetrical field after a laser resonator with a cylindrical laser rod or a radiation field at the exit of a fiber;
  • the shaping of a radiation emerging from a fiber has the advantage that the radiation is homogenized over the cross section of the fiber at the exit end. It is thus achieved with the specified arrangement that, for example, the radiation emerging from a glass fiber is generated in a linear focus with a large distance from the focusing optical element and at the same time very small dimensions in one direction with large dimensions in the direction orthogonal thereto. Such a mapping is also achieved with a high degree of efficiency.
  • an essential feature is to rotate the respective partial radiation fields with the transformation optics about the z-axis by 90 °. Then, in a further step in the transformation optics, the rotated partial radiation fields can be brought together to form a line in the x direction. It can be seen that the dimensions of the line, composed of the partial radiation fields, can be influenced by the choice of the segmentation; If linear radiation cross sections are to be achieved on the output side of the transformation optics with a very large, different aspect ratio, the radiation field on the input side is segmented into a large number of partial radiation fields in the y direction.
  • cylindrical optics are preferably arranged on the input side of the transformation optics.
  • Such cylinder optics first transform the radiation field with a symmetrical beam parameter product into an elliptical radiation field, the major axis of the ellipse lying in the y direction, taking into account the coordinate system specified above.
  • the individual, segmented partial radiation fields have approximately the same powers. This is achieved in that the Segments, ie the partial radiation cross-sectional areas, are selected in a different size, adapting the power.
  • the cross section of the partial radiation fields is imaged in the plane of the transformation optics in connection with a cylindrical lens.
  • the adaptation of the partial radiation fields so that they have approximately the same powers can be achieved by giving the cylindrical lens a changing radius of curvature.
  • the transformation optics preferably have a plurality of reflective elements; these reflective elements are used to separate the partial radiation fields.
  • the reflective elements can be formed by mirror surfaces.
  • the reflective elements can also be formed by totally reflecting surfaces of a radiation-transparent element. Reflective elements in the form of mirror surfaces are to be preferred if the acceptance angle of totally reflecting surfaces would be exceeded. On the other hand, reflective elements in the form of the totally reflecting surfaces of a radiation-transparent element are to be used if this could be advantageous from a manufacturing point of view.
  • the optical radiation field should have the same divergence angle in the x and y directions.
  • a Dove prism is assigned to each partial radiation field in the transformation optics.
  • Such a Dove prism has a base and two prism surfaces that run obliquely to the base surface, and is dimensioned and aligned such that one prism surface forms an entry surface for the corresponding partial radiation field and thus to the direction of propagation (z direction) of the partial radiation field under one Is aligned that the radiation is refracted towards the base; The radiation is then reflected at the base surface and towards the second prism surface directed, where it then, rotated by 90 ° to the z-axis, exits in the z-direction (with appropriate orientation of the second prism surface).
  • FIG. 1 shows two views, labeled A and B, of a radiation field which propagates in the z direction and emerges from the end of an optical fiber, on the one hand in the xz plane (illustration A) and on the other hand in its cross section in the yz plane (Representation B),
  • FIG. 2 shows a representation of the respective xy planes assigned to FIG. 1 in order to indicate the respective beam cross section and the associated divergence angle in the x direction ( ⁇ x ) and in the y direction ( ⁇ y ) at the corresponding point in the z direction,
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a radiation field that propagates in the z direction, with a view of the x-z plane, which is focused by a cylindrical lens system and fed to a transformation lens system,
  • FIG. 4 shows the arrangement of FIG. 3, but in a view of the y-z plane of the radiation field on the input side and the x-z plane of the radiation field on the output side of the transformation optics,
  • FIG. 5 shows a three-dimensional representation of the arrangement, as is also shown in FIGS. 3 and 4,
  • FIG. 6 schematically shows the decomposition of an input-side radiation field with an elliptical beam cross section (illustration A), the partial radiation fields then being shifted in the x direction (illustration B), which in turn are shifted in a further step in the y direction (illustration C) .
  • FIG. 7 schematically shows a transformation optics with four Dove prisms for rotating the respective partial radiation fields by 90 ° around the z-axis
  • FIG. 8 schematically shows a radiation field which is segmented in the y direction into eight partial radiation fields (illustration A), and the corresponding radiation field after the transformation optics, rotated by 90 ° about the z-axis and combined to form a linear radiation field (illustration B), and
  • Figure 9 is a representation corresponding to Figures 1 and 2, but with a transformation optics 4 ', as shown in Figure 7 in the specific embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows an arrangement for transforming an optical radiation field, generally designated by the reference number 1.
  • the representations A and B show the x-z plane on the one hand and the y-z plane perpendicular to it on the other.
  • the z direction is the direction of propagation of the radiation field 1, even if this changes its direction in space, i.e. the z direction is carried along with the direction of propagation of the radiation field 1.
  • the radiation field becomes an optical fiber on the output side
  • the divergence angle in the x direction, ⁇ Xl and the divergence angle in the y direction, ⁇ y are the same, as can be seen in FIG.
  • the radiation field aligned in parallel is then guided into a cylinder optics 3, the radiation field 1 emerging from the cylinder optics 3 then having a larger divergence angle in the x direction than in the y direction, so that: ⁇ x > ⁇ y .
  • the cylindrical lens 3 is aligned with its cylinder axis in the y direction.
  • the radiation field 1 which is focused in the x-direction after the cylinder optics 3, while it is spreading in the y-direction as a parallel radiation field, then enters a transformer mation optics 4, with respect to the divergence angle on the input side of the transformation optics ⁇ x > ⁇ y .
  • the transformation optics 4 the radiation field 1 is segmented into a predetermined number of partial radiation fields in the y direction; these partial radiation fields are then shifted in the x direction by means of the transformation optics 4 and then shifted again in the y direction such that the centers of gravity of the partial radiation fields lie on a line.
  • the divergence angle in the x direction, ⁇ x is then greater than the divergence angle in the y direction, ⁇ y , whereas on the input side of the transformation optics 4, the following applies to the divergence angles: ⁇ x > ⁇ y .
  • the beam quality of the radiation field 1, as it emerges from the exit surface of the light guide 2 is the same in the x and y directions, on the output side of the transformation optics 4 the beam quality in the x direction is very much better than in the y direction.
  • line-shaped radiation fields can be generated on the output side of the transformation optics 4, which, using the coordinate system shown in the drawings, have a width of 70 ⁇ m in the x direction. while the length in the y direction can be, for example, 14 mm, ie the dimensions of the radiation field in the x and y directions differ by a factor of about 200.
  • FIGS. 3, 4 and 5 show an arrangement, comparable to that shown schematically in FIG. 1, in a more detailed representation of the transformation optics 4.
  • the radiation field 1 is shown directly entering the cylinder optics 3.
  • This radiation field 1 is segmented into partial radiation fields on a first reflection optics 5, made up of reflecting mirror surfaces, about 40 partial radiation fields being shown. After this segmentation in the y direction, the partial radiation fields are shifted in the x direction by appropriate alignment of the mirror surfaces.
  • the mode of operation of the transformation optics 4 is shown schematically in FIG.
  • the representation A shows an elliptical radiation field as it enters the transformation optics 4.
  • This radiation field A is segmented in the transformation optics 4 in the y direction, with the illustration A showing six partial radiation fields by way of example. The segmentation takes place in the direction of the major axis of the ellipse.
  • the respective cross-sectional areas of the partial radiation fields are selected such that they have approximately the same area, i.e. the power of the partial radiation fields is matched to each other by the cross-sectional size.
  • these partial radiation fields are then shifted in the x direction, so that they are offset in steps from one another, but essentially connect directly to one another in the x direction.
  • these partial radiation fields are then brought together again in the y direction in such a way that they, i.e. the focal points of the beam cross-sections lie on a line.
  • FIGS. 7 and 9 now show an alternative arrangement for transforming an optical radiation field which propagates in the z direction and which has a symmetrical beam parameter product in the x and y directions.
  • FIG. 9 Insofar as components are shown in FIG. 9 which are identical or comparable to those of FIG. 1, the corresponding reference symbols are used as in FIG. 1; A description of these components is not made, so that reference is made to the corresponding explanations for FIG. 1 above.
  • a transformation optic 4 ' is provided, which is shown in more detail in FIG.
  • This transformation optics 4 ′ has three Dove prisms 7, one of these prisms being assigned to a partial radiation field.
  • Each Dove prism 7 has a base area 8 as well as a first prism area 9 and a second prism area. che 10 on.
  • the respective partial radiation field enters the first prism surface 9, forming an entry surface, is refracted towards the base surface 8 and is reflected from there to the second prism surface 10, forming an exit surface.
  • the angle of the first prism surface 9 and the second prism surface 10 to the base surface 8 or to the direction of propagation of the partial radiation field is so designed, including the base surface 8, that the partial radiation field from the second prism surface 10 has a propagation direction that corresponds to the z direction corresponds, emerges, namely at 90 ° to the z-axis, compared with the orientation of the input-side partial radiation field, rotated.
  • a total of three partial radiation fields with three Dove prisms 7 are shown in FIG. 7 in order to illustrate the principle of this arrangement.
  • the transformation optics 4 ' can be expanded as desired by segmenting a radiation field into a corresponding number of partial radiation fields and assigning a prism 7 to each partial radiation field in the transformation optics 4'.
  • FIG. 8 shows a radiation field with an elliptical beam cross section, which is aligned with its large ellipse axis in the y direction.
  • This radiation field is segmented in the y-direction into eight partial radiation fields, which are then rotated around the z-axis with a transformation optic 4 ′, as shown in FIG. 7, so that the radiation field is obtained in accordance with the representation B.
  • the individual, rotated partial radiation fields in the y direction can be brought together by suitable optical measures in order to obtain a coherent radiation field.
  • a line with a large aspect ratio without moving components can be generated via a compact optical system.
  • a power density distribution can thus be generated, with essentially the same divergence angles and different beam radii for two directions oriented orthogonally to one another, which are defined by the directions with the maximum and minimum extent of this power density distribution.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung propagiert und das in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt aufweist, mittels einer Transformationsoptik in ein Strahlungsfeld mit asymmetrischem Strahlparameterprodukt, wobei die x-, y- und z-­Richtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden. Eine solche Anordnung ist zum einen dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Strahlungsfeld mit der Transformationsoptik in mindestens zwei Teilstrahlungsfelder in y-Richtung segmentiert wird, dass die Teilstrahlungsfelder dann mit der Transformationsoptik in x-Richtung verschoben werden, und dass diese Teilstrahlungsfelder mit der Transformationsoptik in y-Richtung so verschoben werden, dass die Schwerpunkte der Teilstrahlungsfelder auf einer Linie liegen, die senkrecht zu der Linie liegt, auf der die Schwerpunkte der Teilstrahlungsfelder vor dem Eintritt in die Transformationsoptik liegen. Zum anderen ist eine solche Anordnung auch dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Strahlungsfeld mit der Transformationsoptik in mindestens zwei Teilstrahlungsfelder in y-Richtung segmentiert wird, und dass diese Teilstrahlungsfelder mit der Transformationsoptik jeweils um die z-Achse um 90° gedreht werden und die gedrehten Teilstrahlungsfelder zu einer Linie in y-Richtung zusammengefügt werden.

Description

„Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung propagiert und das in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt aufweist, mittels einer Transformationsoptik in ein Strahlungsfeld mit asymmetrischem Strahlparameterprodukt, wobei die x-, y- und z- Richtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden.
Verschiedene Anwendungen von Laserstrahlung erfordern eine linienförmige Strahlform bzw. einen Strahlquerschnitt mit asymmetrischen Strahlparametern. Allerdings sind die zur Verfügung stehenden Ausgangsstrahlen üblicherweise Strahlungsfelder mit symmetrischem Strahlparameterprodukt. Um aus diesen zur Verfügung stehenden optischen Strahlungsfeldern ein linienförmiges Strahlungsfeld zu erhalten, werden entweder Zylinderlinsen eingesetzt oder es werden Scanner verwendet, die den Strahl zeitlich ablenken und bei hohen Abtastfrequenzen ein quasi-kontinuierliches, linienförmiges Strahlungsfeld erzeugen. Solche Zylinderlinsen oder Scanner können als Transformationsoptik bezeichnet werden. Hierbei sind Zylinderlinsen dahingehend von Nachteil, dass sie nicht die Strahlqualität der Fast- und Slow-Axis verändern und somit bei hohen Aspektverhältnissen nicht einsetzbar sind. Der Nachteil beim Einsetzen von Scannern liegt in der zeitlichen Ablenkung, der Segmentierung der Linie und der mechanischen Empfindlichkeit des Aufbaus.
Ausgehend von einer Anordnung, wie sie eingangs angegeben ist, und einem Stand der Technik in Form der vorstehend beschriebenen Zylinderlinse oder eines Scanners als Transformationsoptik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anord- - nung zu schaffen, mit der ein Strahlungsfeld mit symmetrischem Strahlparameterprodukt so umgeformt wird, dass dieses in einen linienförmigen Fokus mit großem Abstand vom fokussierenden Element und gleichzeitig sehr kleinen Abmessungen in einer Richtung bei großen Abmessungen in der dazu orthogonalen Richtung erzeugt wird, unter Erreichen eines hohen Wirkungsgrads und eines hohen Aspektverhältnisses, ohne bewegte Teile. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung propagiert und das in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt aufweist, mittels einer Transformationsoptik in ein Strahlungsfeld mit asymmetrischem Strahlparameterprodukt, wobei die x-, y- und z- Richtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden; die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Strahlungsfeld mit der Transformationsoptik in mindestens zwei Teilstrahlungsfelder in y-Richtung segmentiert wird, dass die Teilstrahlungsfelder dann mit der Transformationsoptik in x-Richtung verschoben werden, und dass diese - Teilstrahlungsfelder mit der Transformationsoptik in y-Richtung so verschoben werden, dass die Schwerpunkte der Teilstrahlungsfelder auf einer Linie liegen, die senkrecht zu der Linie liegt, auf der die Schwerpunkte der Teilstrahlungsfelder vor dem Eintritt in die Transformationsoptik liegen.
Die Aufgabe wird auch durch eine Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung propagiert und das in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt aufweist, mittels einer Transformationsoptik in ein Strahlungsfeld mit asymmetrischem Strahlparameterprodukt, wobei die x-, y- und z-Richtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden; die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Strahlungsfeld mit der Transformationsoptik in mindestens zwei Teil- • Strahlungsfelder in y-Richtung segmentiert wird, und dass diese Teilstrahlungsfelder mit der Transformationsoptik jeweils um die z-Achse um 90° gedreht werden und die gedrehten Teilstrahlungsfelder zu einer Linie in x-Richtung zusammengefügt werden.
Mit einer Anordnung in der zuerst genannten Art wird ein optisches Strahlungsfeld mit symmetrischen Parameterprodukten in der x- und der y-Richtung in der Transformationsoptik in zumindest zwei Teilstrahlungsfelder in y-Richtung unterteilt. Diese beiden Teilstrahlungsfelder werden dann mittels der Transformationsoptik in einer Richtung senkrecht dazu (y-Richtung)), oder in einer Richtung mit einer wesentlichen Vektorkomponenten in y- Richtung, versetzt, um dann diese versetzten Teilstrahlungsfelder in einer weiteren Stufe in der Richtung, senkrecht zu dem ersten Versatz, d.h. in x-Richtung, wieder so zu ver- schieben, dass die Schwerpunkte der Leistungsdichteverteilungen der Teilstrahlungsfelder auf einer Linie liegen. Das umzuformende Strahlungsfeld mit symmetrischem Strahlparameterprodukt kann beispielsweise ein rotationssymmetrisches Feld nach einem Laserresonator mit zylindrischem Laserstab sein oder ein Strahlungsfeld am Austritt einer Faser; gerade die Umformung einer aus einer Faser austretenden Strahlung hat den Vorteil, dass die Strahlung über den Querschnitt der Faser am Austrittsende verteilt homogenisiert ist. Somit wird mit der angegebenen Anordnung erreicht, dass beispielsweise die aus einer Glasfaser austretende Strahlung in einen linienförmigen Fokus mit großem Abstand vom fokussierenden Optikelement und gleichzeitig sehr kleinen Abmessungen in einer Richtung bei großen Abmessungen in der dazu orthogonalen Richtung erzeugt wird. Eine solche Abbildung wird darüber hinaus mit einem hohem Wirkungsgrad erreicht.
Mit der zweiten Anordnung, die die Aufgabe löst, liegt ein wesentliches Merkmal darin, die jeweiligen Teilstrahlungsfelder mit der Transformationsoptik um die z-Achse um 90° zu drehen. Dann können in einem weiteren Schritt in der Transformationsoptik die gedrehten Teilstrahlungsfelder zu einer Linie in x-Richtung zusammengeführt werden. Es ist ersichtlich, dass die Abmessungen der Linie, zusammengesetzt aus den Teilstrahlungsfeldern, durch die Wahl der Segmentierung beeinflusst werden können; falls linienförmige Strahlungsquerschnitte ausgangsseitig der Transformationsoptik mit einem sehr großen, unterschiedlichen Seitenverhältnis erreicht werden sollen, wird das eingangsseitige Strahlungsfeld in eine große Anzahl von Teilstrahlungsfeldern in y-Richtung segmentiert.
Für die Transformation der Ausgangsstrahlung wird bevorzugt eingangsseitig der Transformationsoptik eine Zylinderoptik angeordnet. Eine solche Zylinderoptik formt zunächst das Strahlungsfeld mit symmetrischem Strahlparameterprodukt in ein elliptisches Strahlungsfeld um, wobei, unter Berücksichtigung des vorstehend angegebenen Koordinatensystems, die große Achse der Ellipse in der y-Richtung liegt.
Um ein gleichmäßiges, linienförmiges Strahlungsfeld ausgangsseitig der Transformationsoptik zu erhalten, d.h. mit einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung über das linienförmige Strahlungsfeld verteilt, ist es von Vorteil, dass die einzelnen, segmentierten Teilstrahlungsfelder annähernd gleiche Leistungen haben. Dies wird dadurch erreicht, dass die Segmente, d.h. die Teilstrahlungsquerschnittsflächen, in einer unterschiedlichen Größe, die Leistung anpassend, ausgewählt werden.
Um die Leistung des Strahlungsfelds gleich über die Teilstrahlungsfelder zu verteilen, wird in einer bevorzugten Ausgestaltung, in Verbindung mit einer Zylinderoptik, der Querschnitt der Teilstrahlungsfelder in die Ebene der Transformationsoptik abgebildet.
Mit dem Einsatz einer Zylinderlinse eingangsseitig der Transformationsoptik kann die Anpassung der Teilstrahlungsfelder so, dass sie annähernd gleiche Leistungen haben, dadurch erreicht werden, dass der Zylinderlinse ein sich ändernder Krümmungsradius gegeben wird.
Bevorzugt weist die Transformationsoptik mehrere reflektive Elemente auf; diese reflekti- ven Elemente werden dazu eingesetzt, die Zerlegung der Teilstrahlungsfelder vorzunehmen. Die reflektiven Elemente können durch Spiegelflächen gebildet werden.
Die reflektiven Elemente können auch durch totalreflektierende Flächen eines strahlungstransparenten Elements gebildet werden. Reflektive Elemente in Form von Spiegelflächen sind dann zu bevorzugen, wenn der Akzeptanzwinkel totalreflektierender Flächen überschritten würde. Dagegen sind reflektive Elemente in Form der totalreflektierenden Flächen eines strahlungstransparenten Elements dann einzusetzen, wenn dies aus fertigungstechnischer Sicht von Vorteil sein könnte.
Weiterhin sollte dann, wenn die Teilstrahlungsfelder in ihrer Leistung durch einen sich ändernden Krümmungsradius einer Zylinderlinse angepasst werden, das optische Strahlungsfeld in der x- und der y-Richtung denselben Divergenzwinkel aufweisen.
In Verbindung mit einer Anordnung, bei der die Transformationsoptik die Teilstrahlungsfelder dreht, wird in der Transformationsoptik jedem Teilstrahlungsfeld ein Dove-Prisma zugeordnet. Ein solches Dove-Prisma weist eine Grundfläche auf sowie zwei schräg zur Grundfläche verlaufende Prismenflächen auf, und ist so dimensioniert und ausgerichtet, dass die eine Prismenfläche eine Eintrittsfläche für das entsprechende Teilstrahlungsfeld bildet und so zu der Propagationsrichtung (z-Richtung) des Teilstrahlungsfelds unter einem Winkel ausgerichtet ist, dass die Strahlung zur Grundfläche hin gebrochen wird; an der Grundfläche wird die Strahlung dann reflektiert und zu der zweiten Prismenfläche hin gerichtet, wo sie dann, um 90° zur z-Achse gedreht, in z-Richtung austritt (unter entsprechender Orientierung der zweiten Prismenfläche).
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Figur 1 zwei Ansichten, bezeichnet mit A und B, eines sich in z-Richtung ausbreitenden Strahlungsfelds, das aus dem Ende einer Lichtleitfaser austritt, zum einen in der x-z-Ebene (Darstellung A) und zum anderen in seinem Querschnitt in der y-z-Ebene (Darstellung B),
Figur 2 eine der Figur 1 zugeordnete Darstellung der jeweiligen x-y-Ebenen, um den jeweiligen Strahlquerschnitt sowie den dazugehörigen Divergenzwinkel in x- Richtung (θx) sowie in y-Richtung (θy) an der entsprechenden Stelle in z- Richtung anzugeben,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines sich in z-Richtung ausbreitenden Strahlungsfelds, mit einer Ansicht der x-z-Ebene, das durch eine Zylinderoptik fokussiert wird und einer Transformationsoptik zugeführt wird,
Figur 4 die Anordnung der Figur 3, allerdings in einer Ansicht der y-z-Ebene des ein- gangsseitigen Strahlungsfelds und der x-z-Ebene des Strahlungsfelds ausgangsseitig der Transformationsoptik,
Figur 5 eine dreidimensionale Darstellung der Anordnung, wie sie auch in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist,
Figur 6 schematisch die Zerlegung eines eingangsseitigen Strahlungsfelds mit elliptischem Strahlquerschnitt (Darstellung A), wobei dann die Teilstrahlungsfelder in x-Richtung verschoben werden (Darstellung B), die dann wiederum, in einem weiteren Schritt, in y-Richtung verschoben werden (Darstellung C),
Figur 7 schematisch eine Transformationsoptik mit vier Dove-Prismen zur Drehung der jeweiligen Teilstrahlungsfelder um 90° um die z-Achse, Figur 8 schematisch ein Strahlungsfeld, das in y-Richtung in acht Teilstrahlungsfelder segmentiert ist (Darstellung A), sowie das entsprechende Strahlungsfeld nach der Transformationsoptik, um die z-Achse um 90° gedreht und zu einem linienförmigen Strahlungsfeld zusammengefügt (Darstellung B), und
Figur 9 eine Darstellung entsprechend den Figuren 1 und 2, allerdings mit einer Transformationsoptik 4', wie sie in Figur 7 in der konkreten Ausführungsform gezeigt ist.
In Figur 1 ist schematisch eine Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, dargestellt. Hierbei zeigen die Darstellungen A und B zum einen die x-z-Ebene und zum anderen die dazu senkrecht stehende y-z-Ebene.
Es ist darauf hinzuweisen, dass in allen Figuren die z-Richtung jeweils die Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfelds 1 ist, auch wenn dieses im Raum seine Richtung ändert, d.h. die z-Richtung wird jeweils mit der Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfelds 1 mitgeführt.
Weiterhin sind jeweilige Ebenen in den x-y-Richtungen mit entsprechenden Linien in Figur
I bezeichnet; diesen Ebenen in der x-y-Richtung sind in Figur 2 die jeweiligen Strahlquerschnitte zugeordnet sowie die Divergenzwinkel der Strahlung in x- und y-Richtung, bezeichnet mit θx und θy, angegeben.
In der Anordnung der Figur 1 wird das Strahlungsfeld ausgangsseitig einer Lichtleitfaser
I I bereitgestellt. An dem Austrittsende der Lichtleitfaser 11 sind der Divergenzwinkel in x- Richtung, θXl und der Divergenzwinkel in der y-Richtung, θy, gleich, wie der Figur 2 zu entnehmen ist. Das divergierende Strahlungsfeld 1 tritt dann in eine Kollimationsoptik, vorzugsweise eine sphärische Linse 2, ein, wobei an der Linse 2 weiterhin θx= θy gilt. Das parallel ausgerichtete Strahlungsfeld wird dann in eine Zylinderoptik 3 geführt, wobei das aus der Zylinderoptik 3 austretende Strahlungsfeld 1 dann in der x-Richtung einen größeren Divergenzwinkel besitzt als in y-Richtung, so dass gilt: θx > θy. Die Zylinderlinse 3 ist, wie anhand der Figur 1 zu sehen ist, mit deren Zylinderachse in y-Richtung ausgerichtet. Das Strahlungsfeld 1 , das nach der Zylinderoptik 3 in x-Richtung fokussiert wird, während es sich in y-Richtung als paralleles Strahlungsfeld ausbreitet, tritt dann in eine Transfor- mationsoptik 4 ein, wobei hinsichtlich der Divergenzwinkel eingangsseitig der Transformationsoptik θx > θy gilt. Mittels der Transformationsoptik 4 wird das Strahlungsfeld 1 in eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlungsfeldern in y-Richtung segmentiert; diese Teilstrahlungsfelder werden dann mittels der Transformationsoptik 4 in x-Richtung verschoben und anschließend nochmals in y-Richtung so verschoben, dass die Schwerpunkte der Teilstrahlungsfelder auf einer Linie liegen. Ausgangsseitig der Transformationsoptik 4 ist dann der Divergenzwinkel in x-Richtung, θx, größer als der Divergenzwinkel in y-Richtung, θy, wogegen eingangsseitig der Transformationsoptik 4 für die Divergenzwinkel gilt: θx > θy.
Während die Strahlqualität des Strahlungsfelds 1 , wie es aus der Austrittsfläche des Lichtleiters 2 austritt, in x- und y-Richtung gleich ist, ist ausgangsseitig der Transformationsoptik 4 die Strahlqualität in x-Richtung sehr viel besser als in y-Richtung.
In Abhängigkeit davon, in welche Anzahl Teilstrahlungsfelder das Strahlungsfeld 1 in der Transforrnationsoptik 4 zerlegt wird, können linienförmige Strahlungsfelder ausgangsseitig der Transformationsoptik 4 erzeugt werden, die, unter Heranziehung des in den Zeichnungen dargestellten Koordinatensystems, in x-Richtung eine Breite von 70 μm haben, während die Länge in y-Richtung beispielsweise 14 mm betragen kann, d.h. die Dimensionen des Strahlungsfelds in x- und y-Richtung sind um einen Faktor von etwa 200 unterschiedlich.
Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen eine Anordnung, vergleichbar mit derjenigen, die in Figur 1 schematisch dargestellt ist, in einer detaillierteren Darstellung der Transformationsoptik 4. Allerdings ist in den Figuren 3 bis 5 das Strahlungsfeld 1 unmittelbar in die Zylinderoptik 3 eintretend dargestellt. Dieses Strahlungsfeld 1 wird an einer ersten Reflexionsoptik 5, aufgebaut aus reflektierenden Spiegelflächen, in Teilstrahlungsfelder segmentiert, wobei etwa 40 Teilstrahlungsfelder dargestellt sind. Nach dieser Segmentierung in y-Richtung werden die Teilstrahlungsfelder jeweils in x-Richtung durch entsprechende Ausrichtung der Spiegelflächen verschoben. Diese in x-Richtung verschobenen Teilstrahlungsfelder werden dann zu einer zweiten Reflexionsoptik 6, die Teil der Transformationsoptik 4 ist, geführt, die dann, mittels einzelner, jedem Teilstrahlungsfeld zugeordneten Spiegelflächen bewirkt, dass die Teilstrahlungsfelder wieder in y-Richtung so verschoben werden, dass sie ausgangsseitig der Transformationsoptik auf einer Linie liegen. Die Querschnitte des Strah- lungsfelds jeweils eingangsseitig und ausgangsseitig der Transformationsoptik können anhand der perspektivischen Darstellung in Figur 5 gesehen werden.
In Figur 6 nun ist nochmals die Wirkungsweise der Transformationsoptik 4 schematisch dargestellt. Die Darstellung A zeigt ein elliptisches Strahlungsfeld, wie es in die Transformationsoptik 4 eintritt. Dieses Strahlungsfeld A wird in der Transformationsoptik 4 in y- Richtung segmentiert, wobei in der Darstellung A beispielhaft sechs Teilstrahlungsfelder gezeigt sind. Die Segmentierung erfolgt in Richtung der großen Achse der Ellipse. Auch ist anhand der Darstellung A zu erkennen, dass die jeweiligen Querschnittsflächen der Teilstrahlungsfelder so gewählt sind, dass sie eine annähernd gleiche Fläche haben, d.h. die Leistung der Teilstrahlungsfelder ist aneinander durch die Querschnittsgröße angepasst. Wie die Darstellung B der Figur 6 zeigt, werden diese Teilstrahlungsfelder dann in x- Richtung verschoben, so dass sie stufenförmig zueinander versetzt sind, allerdings in x- Richtung im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließen. In einer dritten Stufe, durch die Darstellung C angedeutet, werden diese Teilstrahlungsfelder dann wieder in y- Richtung so zusammengeführt, dass sie, d.h. die Schwerpunkte der Strahlquerschnitte, auf einer Linie liegen.
Die Figuren 7 und 9 zeigen nun eine alternative Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung propagiert und das in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt aufweist.
Soweit in der Figur 9 Bauelemente gezeigt sind, die mit denjenigen der Figur 1 identisch oder vergleichbar sind, sind die entsprechenden Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet; eine Beschreibung dieser Bauelemente wird nicht vorgenommen, so dass auf die entsprechenden Ausführungen zu Figur 1 vorstehend verwiesen wird. Gleiches gilt für die Darstellung der Divergenzwinkel in der unteren Hälfte der Figur 9 sowie der jeweiligen Strahlquerschnitte an den entsprechenden Ebenen; die Verhältnisse der Divergenzwinkel in x- Richtung (θx) und (θy) ergeben sich unmittelbar aus Figur 9.
In der Anordnung der Figur 9 ist eine Transformationsoptik 4' vorgesehen, die detaillierter in Figur 7 gezeigt ist. Diese Transformationsoptik 4' weist drei Dove-Prismen 7 auf, wobei jeweils eines dieser Prismen einem Teilstrahlungsfeld zugeordnet ist. Jedes Dove-Prisma 7 weist eine Grundfläche 8 sowie eine erste Prismenfläche 9 und eine zweite Prismenflä- che 10 auf. Das jeweilige Teilstrahlungsfeld tritt in die erste Prismenfläche 9, eine Eintrittsfläche bildend, ein, wird zur Grundfläche 8 hin gebrochen und von dort zu der zweiten Prismenfläche 10, eine Austrittsfläche bildend, reflektiert. Die erste Prismenfläche 9 und die zweite Prismenfläche 10 sind in ihrem Winkel zur Grundfläche 8 bzw. zur Ausbreitungsrichtung des Teilstrahlungsfelds so ausgelegt, unter Einbeziehung der Grundfläche 8, dass das Teilstrahlungsfeld aus der zweiten Prismenfläche 10 mit einer Propagations- richtung, die der z-Richtung entspricht, austritt, und zwar unter 90° zur z-Achse, verglichen mit der Orientierung des eingangsseitigen Teilstrahlungsfelds, gedreht. In Figur 7 sind insgesamt drei Teilstrahlungsfelder mit drei Dove-Prismen 7 gezeigt, um das Prinzip dieser Anordnung zu verdeutlichen. Allerdings ist ersichtlich, dass die Transformationsoptik 4' beliebig erweitert werden kann, indem ein Strahlungsfeld in eine entsprechende Anzahl von Teilstrahlungsfeldern segmentiert wird und jedem Teilstrahlungsfeld in der Transformationsoptik 4' jeweils ein Prisma 7 zugeordnet wird.
In Figur 8 ist in der Darstellung A ein Strahlungsfeld mit elliptischem Strahlquerschnitt gezeigt, das mit seiner großen Ellipsenachse in y-Richtung ausgerichtet ist. Dieses Strahlungsfeld ist in y-Richtung in acht Teilstrahlungsfelder segmentiert, die dann mit einer Transformationsoptik 4', wie sie in Figur 7 gezeigt ist, jeweils um die z-Achse gedreht werden, so dass das Strahlungsfeld entsprechend der Darstellung B erhalten wird. Es ist ersichtlich, dass die einzelnen, gedrehten Teilstrahlungsfelder in y-Richtung durch geeignete, optische Maßnahmen zusammengeführt werden können, um ein zusammenhängendes Strahlungsfeld zu erhalten.
Mit den Anordnungen, wie sie vorstehend beschrieben sind, wird über eine kompakte Optik eine Linie mit einem großen Aspektverhältnis ohne bewegte Bauteile generiert werden können. Es kann also eine Leistungsdichteverteilung erzeugt werden, mit im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkeln und unterschiedlichen Strahlradii für zwei orthogonal zueinander orientierten Richtungen, die durch die Richtungen mit der maximalen und minimalen Ausdehnung dieser Leistungsdichteverteilung definiert sind.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung propagiert und das in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt aufweist, mittels einer Transformationsoptik in ein Strahlungsfeld mit asymmetrischem Strahlparameterprodukt, wobei die x-, y- und z-Richtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Strahlungsfeld (1) mit der Transformationsoptik (4) in mindestens zwei Teilstrahlungsfelder in y-Richtung segmentiert wird, dass die Teilstrahlungsfelder dann mit der Transformationsoptik (4) in x-Richtung verschoben werden, und dass diese Teilstrahlungsfelder mit der Transformationsoptik (4) in y-Richtung so verschoben werden, dass die Schwerpunkte der Teilstrahlungsfelder auf einer Linie liegen, die senkrecht zu der Linie liegt, auf der die Schwerpunkte der Teilstrahlungsfelder vor dem Eintritt in die Transformationsoptik (4) liegen.
2. Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung propagiert und das in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt aufweist, mittels einer Transformationsoptik in ein Strahlungsfeld mit asymmetrischem Strahlparameterprodukt, wobei die x-, y- und z-Richtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Strahlungsfeld (1) mit der Transformationsoptik (4') in mindestens zwei Teilstrahlungsfelder in y-Richtung segmentiert wird, und dass diese Teilstrahlungsfelder mit der Transformationsoptik (4') jeweils um die z-Achse um 90° gedreht werden und die gedrehten Teilstrahlungsfelder zu einer Linie in y-Richtung zusammengefügt werden.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig der Transformationsoptik (4; 4') eine Zylinderoptik (3) angeordnet ist, die das Strahlungsfeld (1) in ein elliptisches Strahlungsfeld, mit der großen Achse der Ellipse in y-Richtung liegend, umformt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die segmentierten Teilstrahlungsfelder annähernd gleiche Leistungen haben.
5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt eines bereitgestellten Teilstrahlungsfelds in die Ebene der Transformationsoptik (4, 4') abgebildet wird.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Leistung der Teilstrahlungsfelder durch einen sich ändernden Krümmungsradius der Zylinderlinse erreicht wird.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Strahlungsfeld (1) in der x- und der y-Richtung den gleichen Divergenzwinkel (θx, θy) aufweist.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationsoptik (4) mehrere reflektive Elemente (5, 6) aufweist, wobei an den reflektiven Elementen der Transformationsoptik (4) die Zerlegung in die Teilstrahlungsfelder erfolgt.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Elemente Spiegelflächen (5, 6) sind.
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Elemente (5, 6) durch totalreflektierende Flächen eines strahlungstransparenten Elements gebildet sind.
1. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Transformationsoptik (4') jedem Teilstrahlungsfeld ein Dove-Prisma (7) zugeordnet ist, das eine Grundfläche aufweist sowie zwei schräg zur Grundfläche (8) verlaufende Prismenflächen aufweist, und so dimensioniert und ausgerichtet ist, dass die eine Prismenfläche (9) eine Eintrittsfläche für das entsprechende Teilstrahlungsfeld bildet derart, dass die Strahlung zur Grundfläche hin gebrochen wird, an der Grundfläche reflektiert wird und an der zweiten Prismenfläche (10) um 90° zur z-Achse gedreht in z- Richtung austritt.
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