Die Erfindung betrifft eine optische Strahltransformationsvorrichtung zur
geometrischen Strahltransformation mindestens eines Eingangsstrahlbündels
mit insbesondere bandförmigem Strahlquerschnitt, mit mindestens einem
Strahlteiler, der das Eingangsstrahlbündel abschnittweise in mehrere in
Längsrichtung nebeneinander angeordnete Teilstrahlbündel zerlegt, und
mindestens einem in Strahlrichtung hinter dem Strahlteiler angeordneten
Strahlkombinierer, der die Teilstrahlbündel in mindestens einem
Ausgangsstrahlbündel in Querrichtung übereinander angeordnet abstrahlt.
Derartige Strahltransformationseinrichtungen werden insbesondere dazu
verwendet, das von Laserdiodenarrays bzw. -barren oder daraus Stapeln
emittierte Strahlbündel für Anwendungen aufzubereiten, die einen bezüglich
der Abmessungen und der äußeren Form definierten Strahlquerschnitt
erfordern. Diese Lichtquellen haben in der Regel längliche, schmale
Emissionsflächen, so daß das Strahlbündel einen im wesentlich länglich
rechteckigen Querschnitt hat. Die Fokussierung dieses Strahlbündels wird
dadurch erschwert, daß in Längs- und Querrichtung erheblich voneinander
abweichende Divergenz vorliegt.
Um bei den vorgenannten Strahlungsquellen dennoch eine Fokussierung auf
einen möglichst rotationssymmetrischen Spot zu erreichen, ist es nach dem
Stand der Technik bekannt, das Strahlbündel zu einem Leuchtband zu
kollimieren und dieses mittels eines Strahlteilers in zunächst nebeneinander
liegende, kurze Teilstrahlbündel aufzuteilen. Anschließend werden diese
Teilstrahlbündel mittels eines refraktiven oder diffraktiven Strahlkombinierers
derart räumlich umgeordnet, daß sie quer übereinander angeordnet sind und
damit das durch deren Vereinigung gebildete Ausgangsstrahlbündel
beispielsweise einen quadratischen Querschnitt erhält. Aufgrund der
besseren Rotationssymmetrie im Vergleich zum schmalen Lichtband läßt sich
dieses effizienter in ein optisches System mit einem kreisrunden
Eingangsquerschnitt, beispielsweise eine Lichtleitfaser, einkoppeln.
Im Stand der Technik ist beispielsweise aus der EP 0 484 276 A1 ein
Verfahren bekannt, bei dem die Teilstrahlbündel um die Strahllängsachse
rotiert und anschließend fokussiert werden, wodurch im Ausgangsfokus die
einzelnen Teilstrahlen quer, d. h. übereinander gepackt sind. Ein ähnliches
optisches System geht aus der US-PS 5 168 401 hervor, wobei die
Strahlteilung über geneigte, äquidistante Reflexionsflächen erfolgt. Die
entstehenden Teilstrahlbündel werden über weitere Reflexionsflächen
wiederum in der vorbeschriebenen Weise zu einem Ausgangsstrahlbündel
kombiniert. Bei der aus der DE 195 37 265 C1 bekannten Vorrichtung wird
die Emissionsstrahlung mehrerer Laserdiodenzeilen zunächst zu einem
langgezogenen, rechteckigen Leuchtband kombiniert, welches dann in einer
sogenannten Rekombiniereinheit über erste geneigte Spiegelflächen in
zunächst nebeneinander liegende Teilstücke aufgetrennt wird, die wiederum
über weitere Spiegelflächen, wie auch in den anderen bekannten
Vorrichtungen, übereinander gruppiert werden, so daß das rechteckige
Ausgangsprofil ein günstigeres Längenverhältnis aufweist.
Aus der DE 195 14 626 A1 ist eine optische
Strahltransformationsvorrichtung zur Formung und Führung eines
Strahlungsfelds von Festkörper- und/oder Halbleiterlasern bekannt. Der
bandförmige Eingangsstrahlquerschnitt wird darin mittels eines Strahlteilers
abschnittsweise in mehrere in Längsrichtung nebeneinander angeordnete
Teilstrahlbündel zerlegt. Ein in Strahlrichtung hinter diesem Strahlteiler
angeordneter Strahlkombinierer strahlt die Teilstrahlbündel in mindestens
einem Ausgangsstrahlbündel in Querrichtung übereinander ab. Dadurch, daß
die einzelnen Teilstrahlbündel jeweils gleich lang sind, hat das
Ausgangsstrahlbündel - wie auch im vorangehend erläuterten Stand der
Technik - in jedem Fall einen rechteckigen Gesamtquerschnitt.
Mit den bekannten Vorrichtungen kann zwar ein langgezogenes Leuchtband
in einen rechteckigen Strahlquerschnitt mit günstigerem Seitenverhältnis
transformiert werden, doch selbst das im günstigsten Falle erzeugte
quadratische Strahlprofil ist bei der Einkoppelung in ein kreisrundes optisches
Element, beispielsweise eine Lichtleitfaser, nachteilig: Wird der quadratische
Querschnitt nämlich so groß gewählt, daß der gesamte Querschnitt der
Lichtleitfaser gleichmäßig ausgeleuchtet wird, entstehen durch die über
deren kreisrunden Querschnitt überstehende Ecken des Quadrats Verluste.
Wird das Rechteck hingegen so weit fokussiert, daß es vollständig in den
Querschnitt der Faser fällt, wird diese nur teilweise ausgeleuchtet, wobei die
lokale Maximalintensität nicht überschritten werden darf, um eine
Überlastung und Beschädigung der Faser zu vermeiden. Deswegen läßt sich
auch auf diese Weise die maximal übertragbare Leistung einer Lichtleitfaser
nicht ausnutzen.
Ausgehend von dieser Problematik ergibt sich die Aufgabenstellung für die
Erfindung, eine Strahltransformationsvorrichtung zur Verfügung zu stellen,
welche eine Strahlformung insbesondere von Eingangsstrahlbündeln mit
langgezogenem, bandförmigem Querschnitt zu Ausgangsstrahlbündeln mit
beliebigem Querschnitt ermöglicht. Insbesondere soll dadurch eine
Möglichkeit geschaffen werden, von Laserdiodenarrays emittierte
Laserstrahlbündel mit höherer Effizienz in Lichtleitfasern mit rundem
Querschnitt einzukoppeln. Konkret stellt sich der Erfindung die Aufgabe, das
Eingangsstrahlbündel möglichst verlustarm derart in Teilstrahlbündel zu
zerlegen, so daß diese Teilstrahlbündel wiederum möglichst verlustarm zu
einem Ausgangsstrahlbündel arrangiert werden, welches in seinem
Querschnitt besser an die geforderte Anwendung angepaßt ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem
eingangs genannten Stand der Technik vor, daß der Strahlteiler optisch
aktive Flächen aufweist, von denen mindestens zwei relativ zueinander eine
unterschiedliche Längserstreckung haben, so daß mindestens zwei
Teilstrahlbündel relativ zueinander eine unterschiedliche Längserstreckung
haben.
Gemäß der Erfindung wird das Eingangsstrahlbündel mittels des
eingangsseitigen Strahlteilers - anders als im Stand der Technik - erstmals
unäquidistant aufgeteilt, d. h. die einzelnen dabei gebildeten Teilstrahlbündel
sind zumindest zum Teil ungleich lang. Indem diese unterschiedlich langen
Teilstrahlbündel zeilenweise übereinander angeordnet werden, können
beliebig vorgebbare Strahlquerschnitte zeilenweise ausgefüllt werden.
Daraus ergibt sich unmittelbar, daß die gesamte eingekoppelte
Strahlungsenergie mit nahezu größtmöglicher Effizienz in ein beliebiges
Ausgangsstrahlprofil umgeformt werden kann.
Die Erfindung ermöglicht somit erstmals insbesondere die Einkopplung von
Laserdiodenarrays mit bandförmigem Strahlquerschnitt in kreisrunde
Lichtleitfasern mit bisher nicht gekannter Effizienz. Die von den
unterschiedlich langen Teilstrahlbündeln ausgefüllte Fläche läßt sich nämlich
praktisch mit jedem gewünschten Ausgangsquerschnitt nahezu vollständig
zur Deckung bringen. Entsprechend sind die Verluste vernachlässigbar
gering.
Vorteilhafterweise kann die Erfindung zur Realisierung eines kreisrunden
Strahlquerschnitts benutzt werden, beispielsweise zur Einkopplung in eine
Lichtleitfaser. Es ist jedoch gleichfalls möglich, beliebige andere
Strahlquerschnitte zu programmieren, beispielsweise vieleckige, beliebig
gerundete, elliptische, segmentförmige oder sonstige Spotformen. Die
gleichzeitige Erzeugung von mehreren, beliebig geformten
Ausgangsstrahlbündeln ist ebenfalls ohne weiteres durchführbar.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der
Strahlteiler als gestuftes Prismenelement ausgebildet ist, welches mehrere
längs nebeneinander angeordnete, bezüglich des Eingangsstrahlbündels
geneigte, jeweils planparallele Stufen aufweist, von denen mindestens zwei
relativ zueinander eine unterschiedliche Längserstreckung haben. Dieses
Prismenelement, welches bevorzugt monolithtisch ausgebildet ist, setzt sich
praktisch aus einer Mehrzahl von unmittelbar aneinander angrenzenden,
unterschiedlich dicken planparallelen Platten zusammen. Die Strahlteilung
erfolgt, in dem die planparallelen Platten bezüglich ihrer Normalenrichtung
gegen die Strahllängsrichtung gekippt werden. Die aus den stufenförmigen
Plattenabschnitten austretenden Teilstrahlbündel, deren unterschiedliche
Länge durch die unterschiedliche Längserstreckung der jeweiligen Stufen
definiert wird, werden durch die Neigung der planparallelen Plattenabschnitte
in Querrichtung gegeneinander versetzt abgestrahlt. Die somit quasi
treppenförmig versetzt angeordneten Teilstrahlbündel lassen sich in einem
nachfolgenden Schritt erfindungsgemäß umgruppieren.
Vorzugsweise ist der Strahlkombinierer als Treppenspiegel ausgebildet, der
mehrere übereinander angeordnete, bezüglich der Teilstrahlbündel schräg
stehende Spiegelflächen aufweist. Bei dem sogenannten Treppenspiegel sind
die senkrechten Stufenkanten als Spiegelflächen ausgebildet. Die Höhen der
Stufenkanten entspricht dabei zweckmäßigerweise der Breite der
Teilstrahlbündel. Durch die Breite der Treppenstufen wird die relative
Positionierung der einzelnen Teilstrahlbündel im Ausgangsstrahlbündel in
Längsrichtung vorgegeben.
Für bestimmte Anwendungen kann es zweckmäßig sein, daß die
erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlteilern und/oder
Strahlkombinierern aufweist. Dadurch lassen sich praktisch in beliebiger
Weise ein oder mehrere Eingangsstrahlbündel zu einem oder mehreren
Ausgangsstrahlbündeln kombinieren bzw. umformen. Insbesondere kann
beispielsweise das von mehreren Laserdiodenarrays emittierte Licht mit
einem beliebigen Strahlquerschnitt in eine oder mehrere Lichtleitfasern
eingekoppelt werden.
Mittels der Erfindung lassen sich auch in vorteilhafter Weise mehrere
voneinander räumlich getrennte Ausgangsstrahlbündel erzeugen. Somit kann
beispielsweise die Energie eines Hochleistungslasers beliebig netzförmig
verteilt werden.
Zweckmäßigerweise ist in Strahlrichtung vor dem Strahlteiler eine
Kollimatoroptik angeordnet. Diese ist beispielsweise mit einzelnen oder
gekreuzten Zylinderlinsen versehen, um das Strahlbündel zu homogenisieren.
In Strahlrichtung hinter dem Strahlkombinierer wird zweckmäßigerweise eine
Fokussieroptik angeordnet, um das Ausgangsstrahlbündel in eine
nachfolgende Optik einzukoppeln, beispielsweise eine Lichtleitfaser.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß
mehrere der erfindungsgemäßen Strahltransformationsvorrichtungen
kaskadiert angeordnet sind. Durch eine solche Hintereinanderschaltung läßt
sich beispielsweise mit besonders geringem Aufwand eine
Strahlvervielfachung erreichen, da die Anzahl der jeweils erzeugten
Ausgangsstrahlbündel multiplikativ anwächst. Dank der Erfindung ist es
dabei jeweils möglich, den einzelnen Ausgangsstrahlbündeln jeweils einen
beliebigen Querschnitt zu geben.
Eine besonders vorteilhafte Bauform von optischen
Strahltransformationsvorrichtungen, die nicht allein auf die vorbeschriebene
Anordnung zur geometrischen Strahltransformation beschränkt ist, sieht vor,
daß eine Mehrzahl von optischen Elementen zu einem optischen Hybridchip
zusammengefaßt sind, bei dem die optischen Elemente auf einer
einstückigen Grundplatte unlösbar lagefixiert sind. Die einzelnen optischen
Elemente lassen sich auf der Grundplatte mit hoher Präzision relativ
zueinander fixieren, so daß die derart aufgebaute optische Funktionseinheit
für einen bestimmten Anwendungszweck keinerlei Justage mehr erfordert.
Derartige Hybridchips können sowohl für beliebige Standardanwendungen
als auch für spezielle Einsatzzwecke konfiguriert werden, wobei auch eine
besonders kostengünstige Massenfertigung denkbar ist.
Vorzugsweise sind in die Grundplatte Halterungen zur Aufnahme der
optischen Elemente eingeformt. Dabei handelt es sich beispielsweise um
nutförmige Vertiefungen, in welche die optischen Elemente mit der
erforderlichen Präzision eingeklebt werden.
Vorzugsweise besteht die Grundplatte aus Quarz. Dieses Material hat
besonders günstige mechanische Eigenschaften, beispielsweise einen sehr
geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Es ist jedoch gleichfalls
denkbar, auf keramische Werkstoffe oder dergleichen zurückzugreifen.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Strahltransformationsvorrichtung sind im folgenden anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer
erfindungsgemäßen
Strahltransformationsvorrichtung in einer
ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine Ansicht von oben auf die Vorrichtung
gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße
Strahltransformationsvorrichtung in einer
zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 eine erfindungsgemäße
Strahltransformationsvorrichtung in einer
dritten Ausführungsform;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Hybridchip-
Grundplatte.
In Fig. 1 ist die Strahltransformationsvorrichtung als Ganzes mit dem
Bezugszeichen 1 versehen. Diese weist eine Grundplatte 2 auf, auf der im
Strahlengang hintereinander ein Kollimator 3, ein Strahlteiler 4, ein
Strahlkombinierer 5 sowie eine Fokussieroptik 6 angeordnet sind.
Eingangsseitig vor dem Kollimator 3 ist ein Laserdiodenbarren 7 dargestellt,
dessen bandförmige Emissionsfläche auf den Kollimator 3 gerichtet ist.
Der Kollimator 3 besteht im wesentlichen aus einem Array von gekreuzten
Zylinderlinsen. Damit wird das Eingangsstrahlbündel 8 für den Strahlteiler 4
in einem bandförmigen, d. h. langgezogen-rechteckigen Querschnitt
homogenisiert.
Der Strahlteiler 4 ist als gestuftes Prismenelement ausgebildet, welches in
Richtung der Längserstreckung des Eingangsstrahlbündels 8
aufeinanderfolgende, jeweils planparallele Stufen 4a aufweist. Wie aus der
Darstellung erkennbar ist, sind die Stufen 4a unterschiedlich lang, wodurch
auch die Strahlquerschnitte der austretenden Teilstrahlbündel 9
erfindungsgemäß unterschiedlich lang sind. Durch die Neigung des
Strahlteilers 4 werden die Teilstrahlbündel 9 in Querrichtung treppenförmig
versetzt abgestrahlt.
Der Strahlkombinierer 5 ist als Treppenspiegel ausgebildet, der eine Mehrzahl
von reflektierenden Stufenkanten 5a aufweist. Deren Höhe entspricht jeweils
der Breite eines Teilstrahlbündels 9, wobei die Kanten in der Strahlebene des
Eingangsstrahlbündels 8 schräg gestellt sind. Die Breite der Stufen ist jeweils
so eingestellt, daß die an den Stufenkanten 5a winklig abgelenkten
Teilstrahlbündel 9 - in der Darstellung nach vorn - übereinander angeordnet,
quasi gepackt, als Ausgangsstrahlbündel 10 abgestrahlt werden.
Das Ausgangsstrahlbündel 10, welches im dargestellten Beispiel einen
annähernd kreisrunden Strahlquerschnitt hat, wird mittels der
nachgeordneten Fokussieroptik 6 je nach Bedarf fokussiert.
Fig. 2, in der dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 Verwendung finden,
zeigt eine Draufsicht von oben auf die Strahltransformationsvorrichtung 1.
Daraus geht besonders gut die Anordnung der unterschiedlich breiten
Teilstrahlbündel 9 hervor, die unterschiedlich schattiert dargestellt sind. In
dieser Darstellung ist mit dem Bezugszeichen 11 eine Lichtleitfaser
bezeichnet, in deren kreisrunden Querschnitt das ebenfalls annähernd
kreisrunde Ausgangsstrahlbündel 10 mittels der Fokussieroptik 6
eingekoppelt wird.
Statt eines einzigen Laserdiodenbarrens 7 können gegebenenfalls auch
mehrere nebeneinander oder auch übereinander zu einem Stack
zusammengefaßt sein.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer
Strahltransformationsvorrichtung 1, wobei wiederum dieselben
Bezugszeichen Verwendung finden. Die Besonderheit dieser Anordnung liegt
darin, daß in Längsrichtung aufeinanderfolgend insgesamt fünf Strahlteiler 4
angeordnet sind, die jeweils wie der Strahlteiler 4 gemäß Fig. 1 bzw. 2
ausgebildet sind. Entsprechend sind auch fünf Strahlkombinierer 5
vorgesehen, welche jeweils ein Ausgangsstrahlbündel 10 mit kreisrundem
Querschnitt abstrahlen. Mit dieser Vorrichtung kann somit beispielsweise das
von einem Laserdiodenbarren 7 abgestrahlte Leuchtband auf mehrere - im
vorliegenden Fall fünf - Lichtleitfasern verteilt werden.
Es ist ebenfalls denkbar, zwei Strahltransformationsvorrichtungen 1 gemäß
Fig. 3 zu kaskadieren, d. h. die Ausgangsstrahlbündel 10 einer ersten
Strahltransformationsvorrichtung 1 in eine zweite einzukoppeln. Auf diese
Weise läßt sich mit relativ geringem Aufwand eine Strahlvervielfachung
realisieren.
In Fig. 4 werden durch drei übereinander gestapelte Laserbarren 7 drei
Eingangsstrahlbündel erzeugt, die unterschiedlich schattiert dargestellt sind.
Über diesen jeweils zugeordnete Strahlteiler 3 sowie Strahlkombinierer 5
wird das gesamte von dem Laserdioden-Stack emittierte Licht zu einem
Ausgangsstrahlbündel 10 mit kreisrundem Querschnitt kombiniert.
In der Darstellung ist besonders gut erkennbar, daß durch jeden einzelnen
Laserdiodenbarren 7 eine Teilfläche des kreisrunden
Ausgangsstrahlbündels 10 ausgeleuchtet wird.
Im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 sind
die Strahlteiler 4 hierbei reflektiv ausgebildet, d. h. sie weisen stufenförmig
angeordnete Spiegelflächen auf.
Fig. 5 zeigt eine Grundplatte 2, die es ermöglicht, beispielsweise
Strahltransformationsvorrichtungen 1 als Hybridoptische Chips aufzubauen.
Hierzu ist die vorzugsweise aus Quarz oder Keramik bestehende
Grundplatte 2 mit U- und V-Nuten 12 versehen, die zur Aufnahme der
optischen Elemente dienen. Diese lassen sich nämlich darin leicht mit der
erforderlichen Präzision lagefixieren, beispielsweise durch Verklebung.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen
Strahltransformationsvorrichtung 1 liegt darin, daß sich mit relativ geringem
Aufwand nahezu jeder beliebige Strahlquerschnitt des
Ausgangsstrahlbündels 10 programmieren läßt.