DE10044522A1 - Optische Anordnung zur Strahlführung - Google Patents

Abstract

Bei einer optischen Anordnung zur Strahlführung soll ein Laserstrahl (1), durch eine ringförmige Aperturöffnung, die in einer im Nahbereich befindlichen ersten Ebene (7) angeordnet ist, geführt werden und gleichzeitig eine maximale Intensität im Zentrum einer zweiten, sehr weit entfernten Ebene (11) aufweisen. Hierzu ist ein strahlformendes Element vorgesehen, das die Laserstrahlung nahezu beugungsbegrenzt so in einen Ring fokussiert, daß die so erzeugte ringförmige Intensitätsverteilung in ihren lateralen Abmessungen der ringförmigen Aperturöffnung in der ersten Ebene angepaßt ist. Weiterhin sind der Durchmesser des auf das strahlformende Element einfallenden Laserstrahls, die durch das strahlformende Element realisierte Brennweite und der Abstrahlwinkel des Ringstrahls in der ersten Ebene so optimiert, daß eine vorgegebene Fernfeldverteilung bei maximaler Leistungstransmission erhalten wird. Die ringförmige Intensitätsverteilung wird somit bei der Freiraumausbreitung nach den Gesetzen der Wellenoptik im Fernfeld in eine Verteilung mit hoher Intensität im Zentrum umgewandelt, ohne daß weitere optische Elemente zusätzlich zum strahlformenden Element erforderlich sind. Das strahlformende Element kann als Ringlinse (3) oder als mit einer Kollimationsoptik kombiniertes Axicon ausgebildet sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Strahlführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anordnung findet beispielsweise Anwen­ dung bei der Führung eines Laserstrahls durch ein Cassegrain-Teleskop in den freien Raum, das bei der optischen Satellitenkommunikation eingesetzt werden kann.

Die gezielte Ausbreitung eines Laserstrahls durch ei­ ne ringförmige Aperturöffnung mit möglichst geringen Verlusten erfordert zunächst die Sammlung möglichst der gesamten Laserenergie in die freie Aperturöff­ nung. Weiterhin soll in großer Entfernung eine mög­ lichst hohe Intensität mit einem kleinen Divergenz­ winkel erzeugt werden. Die ringförmige Intensitäts­ verteilung muß sich somit bei der Freiraumausbreitung nach den Gesetzen der Wellenoptik im Fernfeld in eine Verteilung mit hoher Intensität im Zentrum umwandeln. Konische Wellen mit derartigen Eigenschaften sind als beugungsfreie oder Bessel-Strahlen bekannt.

Es ist bekannt, daß mit Hilfe eines Axicons konische Wellen und ringförmige Strahlprofile erzeugt werden können. In US 5 613 965 werden optische Elemente be­ schrieben, die aus einer konischen und einer abbil­ denden Fläche bestehen. Anwendungsbereich der dort beschriebenen optischen Anordnung ist die gezielte Laserablation zur Korrektur der Kornea. US 5 405 659 bezieht sich auf ein Verfahren, bei welchem ein Ring­ system mittels eines Facettenaxicons auf ein Target bei der Laserstrahlbeschichtung eingestrahlt wird. Bei diesen auf die Materialbearbeitung gerichteten Systemem ist nur das Ringprofil von Interesse; der weiteren Ausbreitung der Laserstrahlung wird keine Aufmerksamkeit geschenkt.

Für die Erzeugung von sogenannten beugungsfreien oder Bessel-Strahlen sind verschiedene Anordnungen be­ kannt. In EP 0 525 801 A2 wird durch ein Hologramm eine konische Welle erzeugt, aus der ein divergenter Ringstrahl hervorgeht, welcher von einem zweiten Ho­ logramm kollimiert und von einem dritten Hologramm in einen Bessel-Strahl umgeformt wird. In US 5 583 342 wird für einen Laserscanner eines Fluoreszenzmikros­ kops eine optische Anordnung aus zwei gegeneinander ausgerichteten Axicons beschrieben. Das erste Axicon erzeugt eine sich konisch ausbreitende Welle. Mit dem in einem bestimmten Abstand zum ersten Axicon ange­ ordneten zweiten Axicon wird ein ringförmiges paral­ leles Strahlenbünden erzeugt, das durch eine weitere optische Einheit in einen Bessel-Strahl fokussiert wird. Die Anordnung von zwei Axicons gegeneinander ist besonders kritisch bezüglich der Justieranforderungen und bezüglich der Stabilität zu bewerten.

Die bekannten technischen Lösungen gehen somit davon aus, weitgehend parallele Ringstrahlen mit einem wei­ teren optischen System so zu fokussieren, daß ein Bessel-Strahl entsteht. Alternativ werden die Bessel- Strahlen direkt aus der konischen Welle erzeugt, wo­ bei im Nahbereich kein Ringstrahl verfügbar ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Anordnung zur Strahlführung eines La­ serstrahls durch eine ringförmige Aperturöffnung, die in einer im Nahbereich befindlichen ersten Ebene an­ geordnet ist, bei gleichzeitiger Erzeugung einer ma­ ximalen Intensität im Zentrum einer zweiten, sehr weit entfernten Ebene, mit einem strahlformenden Ele­ ment, das die Laserstrahlung nahezu beugungsbegrenzt in einen Ring fokussiert, so daß die so erzeugte ringförmige Intensitätsverteilung in ihren lateralen Abmessungen der ringförmigen Aperturöffnung in der ersten Ebene angepaßt ist, zu schaffen, bei der der Ringstrahl in der ersten Ebene ohne ein weiteres op­ tisches System in einen Bessel- oder besselähnlichen Strahl übergeht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine opti­ sche Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsge­ mäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß der Durchmesser des auf das strahlfor­ mende Element einfallenden Laserstrahls, die durch das strahlformende Element realisierte Brennweite und der Abstrahlwinkel des Ringstrahls in der ersten Ebe­ ne so optimiert sind, daß eine vorgegebene Fernfeld­ verteilung bei maximaler Leistungstransmission erhalten wird, werden die wellenoptisch begründeten Beu­ gungseffekte optimal ausgenutzt, um ein Ergebnis im Sinne der Aufgabenstellung zu erreichen.

Es wird zunächst die die Linsenwirkung des strahlfor­ menden Elements beschreibende Brennweite f so ge­ wählt, daß für den als Startparameter gegebenen Gauß­ bündeldurchmesser 2w des kollimierten Eingangsbündels der beugungsbedingte Taillendurchmesser 2w₀ an die vorgegebene freie Öffnung der Ringapertur angepaßt wird. Dies erfolgt gemäß der Gleichung

w₀ = fλ/Πw

wobei λ die Wellenlänge des eingestrahlten Laser­ lichts darstellt. Auf diese Weise wird im ersten De­ signschritt eine optimale Leistungstransmission durch die ringförmige Aperturöffnung der ersten Ebene er­ möglicht.

Bei der Optimierung der Fernfeldintensität werden dann die Abstrahlwinkel der Zentroide der Ringsegmen­ te und die Breite des Ringes des erzeugten Strahlen­ bündels geeignet eingestellt, indem die Kombination von Strahldurchmesser 2w des einfallenden Gaußbün­ dels, Brennweite f und Abstrahlwinkel des strahlfor­ menden Elements - der die Axiconwirkung des Elements beschreibt - gemeinsam verändert wird, bis eine opti­ male Annäherung an die gewünschte Fernfeldverteilung bei maximaler Leistungstransmission erreicht ist. Die Bewertung des Systems erfolgt mit einer Computersimu­ lation mittels numerischer Berechnung des Beugungsin­ tegrals oder bekannter FFT-Algorithmen (J. Hayes, "Fast Fourier Transforms and their Applications", Applied Optics ans Optical Engineering, Band 11, Eds. R. Shannon and J. Wyant, Academic Press, 1991). Als Optimierungskriterien dienen die Leistungstransmissi­ on des Systems und ausgewählte Parameter - zum Bei­ spiel die Divergenz - des Fernfeld, die zu einer ge­ eigneten Bewertungsfunktion verknüpft werden. Die ei­ gentliche Optimierung kann mittels eines Damped Least Squares-Algorithmus erfolgen (Gregory K. Hearn, "The evolution of optimization algorithms", in "Lens De­ sign", Ed. W. J. Smith, SPIE Optical Engineering Press 1992).

Zur Veränderung des Bündeldurchmessers des Eingangs­ strahls in der Ebene des strahlformenden Elements können die Brennweite der Kollimatoroptik oder eine separate Strahlaufweitung verwendet werden. Das strahlformende Element kann dabei in dem kollimierten Laserstrahl oder auch im divergenten oder konvergen­ ten Laserstrahl angeordnet werden.

Das strahlformende Element ist zweckmäßig als asphä­ risch korrigierte Ringlinse oder als Axicon in Kombi­ nation mit einer Sammellinse bzw. einer korrigierten Optik ausgeführt. Die Ringlinse erzeugt direkt die geforderten Intensitätsverteilungen in den beiden be­ schriebenen Ebenen. Das Axicon generiert zunächst ei­ ne konische Welle, die durch die Sammellinse in den beugungsbegrenzten Ringstrahl mit der gewünschten Fernfeldeigenschaft kollimiert wird. Die Ringlinse und das Axicon können als refraktive Elemente oder als beugungs-optische Phasenelemente wie beispiels­ weise Fresnel-Zonenplatten hergestellt werden. Bevor­ zugte Herstellungsverfahren sind Strukturierungsver­ fahren, wie sie aus der Mikrooptik bekannt sind. Um eine kompakte Bauweise zu erreichen, können die Funk­ tionsflächen der Ringlinse und des Axicons auch bei­ spielsweise auf eine Fläche einer Linse aufgebracht oder strukturiert werden, wodurch in bekannter Weise ein Hybridelement entsteht. Das strahlformende Ele­ ment wird vorzugsweise als Transmissionselement be­ nutzt, aber auch reflektierende Flächen können zum Einsatz kommen.

Die durch die erfindungsgemäße Anordnung erzeugte Ringintensität kann durch nachfolgende optische Systeme an das Gesamtsystem angepaßt werden. Eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung kann vorzugsweise durch telezentrische Optiken vorgenommen werden, wo­ bei der ursprünglich erzeugte Ring abgebildet wird. Die Strahlausbreitung vom Ringbild in das geforderte Fernfeld erfolgt dann ohne Beeinflussung durch weite­ re optische Elemente. Bei Verwendung eines Kepler- Teleskops kann durch Raumfilterung im Brennpunkt der ersten Linse eine Streulichtminderung vorgenommen werden. Bei einem bedeutenden Anwendungsfall der er­ findungsgemäßen Anordnung wird die Ringintensität da­ zu erzeugt, um einen Laserstrahl nahezu verlustfrei am Sekundärspiegel eines Cassegrain-Teleskops vorbei­ zuleiten. Dies ist insbesondere für die optische Sa­ tellitenkommunikation von Interesse, bei der Emp­ fangs- und Sendekanal gemeinsam über das Cassegrain- Teleskop geführt werden. Der Sendelaserstrahl muß nach Passieren des Cassegrain-Teleskops eine maximale Fernfeldintensität im Gesichtsfeld des Empfängers ha­ ben. Vorzugsweise wird für diese Anwendung ein Nd:YAG-Laser mit der Wellenlänge von 1,06 µn einge­ setzt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Fi­ guren dargestellten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung mit einer Ringlinse als strahlformendes Element,

Fig. 2 eine Anordnung mit einer Kombination aus Axicon und Sammellinse als strahlformendem Element,

Fig. 3 das Oberflächenprofil des in Fig. 1 verwen­ deten strahlformenden Elements,

Fig. 4 die Intensitäts- und Phasenverteilung in ei­ nem Abstand von 80 mm hinter dem strahlfor­ menden Element nach Fig. 1,

Fig. 5 die Intensitäts- und Phasenverteilung am Ausgang eines Cassegrain-Teleskops, in wel­ chem sich die erste Ebene befindet, bei ei­ ner Anordnung nach Fig. 1, und

Fig. 6 die Intensitätsverteilung in 6000 km Entfer­ nung von der Anordnung nach Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 wird ein beispielsweise aus einer Faser austretender Laserstrahl 1 durch eine Linse 2 kolli­ miert. Im kollimierten Laserstrahl ist eine Ringlinse 3 als strahlformendes Element angeordnet, welche in einem bestimmten Abstand in der ersten Ebene 4 die geforderte ringförmige Intensitätsverteilung erzeugt. Mit einem nachfolgenden Kepler-Teleskop, bestehend aus den Linsen 5 und 6, wird der Ring vergrößert in eine neue Ebene 7 abgebildet, die zur Ebene 4 konju­ giert ist. In der Ebene 7 kann beispielsweise der Se­ kundärspiegel eines Cassegrain-Teleskops (nicht dar­ gestellt) angeordnet sein. Eine Blende 8 innerhalb des Kepler-Teleskops dient als Raumfilter zur Minde­ rung von unerwünschtem Streulicht in der Ringebene 7. In sehr großen Entfernungen 11 bildet sich dann eine Feldamplitudenverteilung ähnlich der Besselfunktion J₀ der ersten Gattung nullter Ordnung aus. Dieser Bessel-Strahl breitet sich stabil mit einer im we­ sentlichen beugungsbegrenzten Divergenz im Raum aus mit einer maximalen Intensität im Zentrum der weit entfernten Ebene 11.

Bei einem konkreten Dimensionierungsbeispiel ist eine Singlemodefaser mit einer numerischen Apertur von 0,11 bei der Wellenlänge 1064 nm als Quelle für den Laserstrahl mit einer Ausgangsleistung von 1 W vorge­ sehen. Das aus der Faser austretende Bündel wird durch eine beugungsbegrenzte Optik mit einer Brenn­ weite von 5,65 mm kollimiert. dieses kollimierte Gaußbündel mit einem 1/e²-Durchmesser von 0,625 mm passiert das strahlformende Element aus Quarzglas mit einem radialsymmetrischen Oberflächenprofil entspre­ chend Fig. 3. Das Profil des Strahlformers kann kon­ tinuierlich realisiert oder - wie auch in Fig. 3 an­ gedeutet - durch ein binäres Stufenprofil angenähert werden. Die Herstellung erfolgt z. B. durch Ionen­ strahlätzen. Die Optimierung der Profilparameter er­ folgte auf eine möglichst gleichmäßige und effiziente Ausleuchtung eines Winkelbereichs von ±4 µrad im Fernfeld des Gesamtsystems.

In einem Abstand von 80 mm hinter dem Strahlformer entsteht eine ringförmige Intensitätsverteilung ent­ sprechend Fig. 4 (hierin sind der Intensitätsverlauf ausgezogen und der Phasenverlauf gestrichelt darge­ stellt). Diese wird durch ein Keplerteleskop um das 10-fache vergrößert. In einem Abstand von 1000 mm nach diesem Hilfsteleskop ist eine Ringblende - ge­ bildet durch die Zentralabschattung des Sekundärspie­ gels mit dem Durchmesser 52 mm und die 120 mm Öffnung eines Cassegrainteleskops ebenfalls mit der Vergröße­ rung 1 : 10 - angeordnet. Die Leistungstransmission durch die Ringblende beträgt ca. 86%.

Am Ausgang dieses Teleskops liegt eine Intenisätsver­ teilung gemäß Fig. 5 vor. In sehr großem Abstand (6000 km) bildet sich dann eine Feldverteilung ähn­ lich einem Besselstrahl aus (Fig. 6), die die ge­ wünschte möglichst homogene Ausleuchtung im Winkelbe­ reich ±4 µrad realisiert.

Gemäß Fig. 2 wird der Laserstrahl 1 ebenfalls durch die Linse 2 kollimiert. Das strahlformende Element besteht aus einem Axicon 9 und einer Linse 10. Das Axicon 9 erzeugt eine konisch auseinanderlaufende Welle, die von der Linse 10 kollimiert wird. Gleich­ zeitig wird am bildseitigen Brennpunkt der Linse 10 die beugungsbegrenzte Ringintensität in der Ebene 7 erzeugt, in der der Sekundärspiegel eines Cassegrain- Teleskops angeordnet sein kann. Das Fernfeldverhalten ist dem in Fig. 1 äquivalent. Bei zusätzlichem Ein­ satz eines Kepler-Teleskop kann ein Raumfilter reali­ siert werden.

Claims (10)

1. Optische Anordnung zur Strahlführung eines La­ serstrahls (1) durch eine ringförmige Aper­ turöffnung, die in einer im Nahbereich befindli­ chen ersten Ebene (7) angeordnet ist, bei gleichzeitiger Erzeugung einer maximalen Inten­ sität im Zentrum einer zweiten, sehr weit ent­ fernten Ebene (11) mit einem strahlformenden Element, das die Laserstrahlung nahezu beugungs­ begrenzt in einen Ring fokussiert, so daß die so erzeugte ringförmige Intensitätsverteilung in ihren lateralen Abmessungen der ringförmigen Aperturöffnung in der ersten Ebene (7) angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des auf das strahlformende Element einfallenden Laserstrahls, die durch das strahlformende Element realisierte Brennweite und der Abstrahlwinkel des Ringstrahls in der ersten Ebene (7) so optimiert sind, daß eine vorgegebene Fernfeldverteilung bei maximaler Leistungstransmission erhalten wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das strahlformende Element als Ringlin­ se (3) ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das strahlformende Element als mit ei­ ner Kollimationsoptik (10) kombiniertes Axicon (9) ausgebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringlinse (3) oder das Axicon (9) als beugungs-optisches Phasenelement ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Phasenelement als mikrostrukturier­ te Fläche einer Linse ausgebildet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das strahlformende Element mindestens eine reflektierende Fläche enthält.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß weitere optische Bau­ elemente oder Baugruppen zur Anpassung des Durchmessers des Laserstrahls und/oder zur Ver­ größerung oder Verkleinerung des erzeugten Rin­ ges vorgesehen sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Ringes ein Kepler-Teleskop (5), (6) vorgesehen ist, welches zwecks Minderung von Streulicht als Raumfilter ausgebildet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die ringförmige Aper­ turöffnung Teil eines Cassegrain-Teleskops ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß sie Teil einer opti­ schen Satellitenkommunikationsanlage ist.