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Die
Erfindung bezieht sich auf einen optischen Strahlteiler mit einem
diffraktiven optischen Element (DOE), für die anteilige Abtrennung
und Auskopplung aus einem Lichtstrom. Bei dem Lichtstrom kann es
sich um einen Laserstrahl, insbesondere einem Leistungslaser handeln,
wobei die ausgekoppelte anteilige Strahlung zur Regelung der optischen
Leistungsmessung sowie zur Laserstrahlanalyse verwendbar ist.
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Aus
der Druckschrift
CH 379148 und
DE 10353073A1 sind
optische Einrichtungen mit einem Prismensatz aus zwei Prismen, die über einen
Abstand gehalten sind, bekannt, wobei ein die Prismen durchlaufender
Strahl je nach Auftreffwinkel auf den Luftspalt die Prismen durchdringt
oder an einer Grenzfläche
zu dem Luftspalt einer Totalreflektion unterliegt. Aus der
US 2005/0116137A1 ist
eine optische Vorrichtung mit einem Prismensatz aus zwei gleichen
Prismen und einem diffraktiven optischen Element bekannt, wobei
ein auf den Prismensatz einfallender Strahl diesen durchdringt und
ein Strahlungsanteil von dem diffraktiven optischen Element so abgelenkt
wird, dass er an der Grenzfläche
zwischen den beiden Prismen reflektiert wird.
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Es
ist bekannt für
die permanente Leistungsmessung beispielsweise Planscheiben aus
Silikatglas oder Quarzglas zu verwenden, die z. B. unter einem Winkel
von 45° in
den Laserstrahl eingesetzt werden, der hierbei unter 90° ausgekoppelte
Strahl dient der Messung der integralen Strahlleistung (laser monitoring)
oder der Analyse des Strahlprofils. Häufig wird auch nur die Leistung
permanent gemessen und die Strahlanalyse erfolgt in zeitlichen Abständen „offline" unter Einsatz anderer
Hilfsmittel.
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Eine
der beiden Oberflächen
dieser Planscheibe kann zusätzlich
mit einer Anti-Reflex-Schicht versehen
sein, die andere Oberfläche
ist unbeschichtet und erzeugt einen partiellen Oberflächenreflex
im Bereich von 1% bis 10% der einfallenden Strahlleistung. Bei Leistungs-Lasern
ist in aller Regel eine weitere Strahlabschwächung für die messtechnischen Zwecke
(z. B. für
den Einsatz einer CCD-Kamera) erforderlich.
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Luftspalt-Prismen
kommen für
die Strahlteilung zum Einsatz. Ähnlich
wie bei den schon beschriebenen Quarzglasplatten wird die Oberflächenreflexion
(Fresnel-Reflex)
ausgenutzt. Der Luftspalt beträgt
dabei nur wenige 10 μm
und der Prismenaufbau aus zwei gleichen Prismen vermeidet den Strahlversatz,
der an einer dickeren Quarzglasplatte auftritt. Auf der Oberfläche derartiger
Strahlteiler werden auch metallische oder dielektrische Dünnschichten eingesetzt.
Mit Hilfe der Dünnschicht
wird ein sehr kleiner Anteil der Strahlung ausgekoppelt.
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Der
Einfallswinkel einer den Strahl teilenden Quarzglasplatte kann auch
in der Nähe
des Brewster-Winkels von etwa 55° liegen,
wobei nur ein Bruchteil eines Prozents der Strahlung aus dem Strahl
ausgekoppelt wird. Das ist im Hinblick auf eine sehr hohe Transmission
für den
Laserstrahl an sich erwünscht, führt aber
im Gegenzug auf eine starke Abhängigkeit des
Wirkungsgrades vom Montagewinkel und adsorbierten Gasen auf der
Oberfläche.
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Zur
Auskopplung eines Strahles kann auch ein Spiegelelement des Lasersystems
dienen. Die spiegelnde Fläche
ist dann so ausgelegt, dass der größte Anteil der Strahlung reflektiert
wird und nur ein kleiner Anteil der Strahlung durch die Spiegelfläche hindurch
tritt. Dieser wird für
die messtechnischen Zwecke im beschriebenen Sinne genutzt. Die Transmission
und die Homogenität
der Transmission derartiger Spiegel sind über die Zeit hinweg sehr kritisch.
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Für die Homogenisierung
eines inhomogenen oder auch geometrisch veränderlichen Laserstrahles werden
sogenannte Ulbricht-Kugeln benutzt, in die der Detektor eingesetzt
wird. Die Ulbricht-Kugeln bewirken gleichzeitig eine weitere Abschwächung des
ausgekoppelten Strahles.
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Probleme
bereiten naturgemäß Verschmutzungen,
Oberflächenfilme
und Adsorbate in Bezug auf den Kalibrierfaktor für den ausgekoppelten Strahl.
Die freien Oberflächen
oder funktionalen Dünnschichten
sind der Prozessumgebung und der Strahlung direkt ausgesetzt. Strahlung,
Wärme und Oxidation
oder die Prozessgase spielen dann eine gravierende Rolle. In der
japanischen Patentanmeldung
JP 2001195790A wird daher das Spülen der sensiblen
Oberfläche
mit einem Edelgas vorgeschlagen. Das hier verwendete Luftspaltprisma
stellt einen in der Lasertechnik üblichen Strahlteiler für die Laser-Strahlüberwachung
(Laser-Monitoring)
dar. Die Wirkung dieses Strahlteilers beruht auf der Fresnel-Reflexion (Teilreflexion
an der Glasoberfläche) aber
nicht auf der Totalreflexion (100%-Reflexion an der Grenzfläche Glas-Luft).
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Beim
Einsatz eines Strahlteilers der eingangs genannten Art in Systemen
insbesondere mit hohen optischen Strahlungsflüssen oder für Lasersysteme stellt sich
die Aufgabe, einerseits einen möglichst
kleinen Strahlungsanteil eines Lichtstromes oder eines Laserstrahles,
insbesondere für maßtechnische
Zwecke, auszukoppeln und den durch den Strahlteiler durchgehenden
Lichtstrom bzw. Laserstrahl möglichst
wenig abzuschwächen. Zum
anderen soll die Langzeit-Stabilität und Zuverlässigkeit
der optischen Leistungsmessung oder der Strahlprofil-Analyse im Strahlbetrieb
sicher gewährleistet
sein. Turnusmäßige Kalibrierungen
(offline) wie sie bei vielen bekannten optischen Leistungsmessungen
und bei Strahlprofilanalysen erforderlich sind, sollen vermieden
werden. In besonders kritischen Fällen, wie z. B. in der Laser-Chirugie
am menschlichen Auge, soll der Einsatz von zwei parallelen Meßsystemen
vermieden werden, deren Gleichlauf in engen Grenzen überwacht
werden muß,
um beim Auftreten von Differenzen zwischen den beiden Meßsystemen
das betreffende Lasergerät
zur Abschaltung zu bringen.
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Die
vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst, Vorteilhafte
Ausführungsbeispiele
oder Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den Unteransprüchen und/oder
der nachfolgenden Beschreibung.
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In
der zugehörigen
Zeichnung sind zur Erläuterung
der erfindungsgemäßen Lösung zwei
Ausführungsbeispiele
schematisch dargestellt. Hierin zeigt
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für einen
Strahlteiler für
Leistungslaser aus zwei Prismenkeilen mit Luftspalt, einem diffraktiv-optischen
Element DOE und einem Zusatzprisma zur Vermeidung von Astigmatismus
und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Strahlteiler
z. B. aus zwei Quarzglasprismen und einem optisch angepaßten DOE
mit 22° off-axis-Winkel
für eine
nahezu beugungsbegrenzte Fokussierung des ausgekoppelten Strahles
unter 90°.
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Entsprechende
Teile der 1 und 2 sind mit
den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In
den 1 und 2 beruht der Strahlteiler 1 gemäß den beiden
Ausführungsbeispielen
nach der Erfindung, insbesondere für einen Leistungslaser, jeweils
auf der Totalreflexion eines mit einem diffraktiven optischen Element
DOE vom Laserstrahl 2 abgetrennten anteiligen Strahles 4 am
Luftspalt 5 zwischen zwei gleichartigen keilförmigen Prismen 6 und 7 jeweils
aus Quarzglas oder einem anderen hochtransparenten optischen Medium.
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Das
DOE ist in eine Glasplatte 3 eingebracht, die auf der strahleingangsseitigen
(ersten) optischen Fläche 8 des
in Strahlrichtung 9 liegenden ersten Prismas 6 des
Prismensatzes 6 und 7 angebracht ist. Das DOE
kann auch unmittelbar in die erste optische Fläche 8 des ersten Prismas 6 eingebracht
sein. Dabei wird mit dem DOE ein sehr kleiner Strahlanteil 4 von
dem durch den Strahlteiler 1 durchgehenden Laserstrahl 2 abgelenkt
und als gebündelter
Strahl 9 aus dem Prismensatz 6 und 7 seitlich
ausgekoppelt, nachdem er an der zweiten optischen Fläche 10 an der
Grenzfläche
des ersten Prismas 6 zum Luftspalt total reflektiert über die
dritte optische Fläche 11 des ersten
Prismas 6 aus dem Strahlteiler austritt.
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Der
Luftspalt 5 zwischen den beiden keilförmigen Prismen 6 und 7 ist
so angebracht, dass der Laserstrahl 2 im Polarisationswinkel
gebrochen wird und die Prismen ohne Strahlversatz und ohne Leistungsverlust
durchläuft.
Der vom DOE abgetrennte anteilige Strahl fällt unter die Bedingung für die optische
Totalreflexion. Eine Winkelablenkung des abgetrennten anteiligen
Strahles 4 von wenigstens 8° ist bei Verwendung von Quarzprismen
erforderlich. Dieser anteilige Strahl 4 verlässt nach
der Totalreflexion an der zweiten optischen Fläche 10 an der Grenzfläche des
ersten Prismas 6 zum Luftspalt 5 das Prisma 6 auf
seiner dritten optischen Fläche 11.
Ein zusätzliches
Prisma 12 kann aus Gründen
der optischen Korrektur des Strahlastigmatismus auf die dritte optische
Fläche 11 des
ersten Prismas 6 aufgesetzt werden (1).
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Die
optische Wirkung des DOE entspricht im einfachen Anwendungsfall
der Funktion einer off-axis Linse. Es werden mehrere Beugungsordnungen
mit unterschiedlicher Stärke
erzeugt. Die Beugungswinkel (off-axis Winkel) betragen beispielsweise
8° und 16° für die erste
und die zweite Beugungsordnung. Die abgelenkten anteiligen Stahlen
des Laserstrahles 2 unterliegen am Luftspalt 5 Totalreflexion
und verlassen das Prisma unter einem Winkel von 80° bis 120°, während gleichzeitig
der durchtretende Laserstrahl 2 im Polarisationswinkel
durch den Luftspalt 5 hindurch tritt und praktisch keine
Abschwächung
erfährt.
Wird der ausgekoppelte Strahl 9 durch das DOE unter einem
Winkel von etwa 22° erzeugt,
so läßt sich
erfindungsgemäß sogar
eine seitliche Auskopplung von 90° gegenüber dem
durchtretenden Laserstrahl 2 erzielen (2).
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Das
DOE kann erfindungsgemäß vorteilhafter
Weise eine fokussierende Wirkung in Bezug auf den ausgekoppelten
Strahl aufweisen. Über
Blenden, die vor oder im Brennpunkt des ausgekoppelten Strahles 9 angebracht
sind, kann erfindungsgemäß Falschlicht
sehr wirksam unterdrückt
werden. Damit wird eine extrem hohe Signaldynamik erreicht, und ein
Wirkungsgrad von 0,1% ist praxisgerecht realisierbar. Mögliche Verunreinigungen
(Adsorbate) auf den Oberflächen
wirken sich nicht auf den Beugungswirkungsgrad aus.
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Vorteilhaft
läßt sich
auch die optische Korrektur des Astigmatismus mit Hilfe des DOE 6 erzielen. Das
DOE läßt sich
als off-axis Asphäre
mit einem ganz bestimmten, angepassten Korrekturzustand entwickeln.
Die Winkel des ausgekoppelten, konvergenten Strahles auf der Prismenoberfläche liegen vorteilhafterweise
im Bereich weniger Winkelgrade. Die optische Stahldurchbrechnung
(optical design) und der Entwurf des DOE gehören zum Stand der Technik.
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Der
Wirkungsgrad des DOE wird im Wesentlichen durch die erzielte Phasenmodulation
im Strahl beschrieben. Dünne
Phasenhologramme oder auch so genannte Blaze-Gitter besitzen in
diesem Sinne eine Phasenmodulation von maximal einer Wellenlänge. Für kleine
Wirkungsgrade im Bereich von 10–3 liegt
die Phasenmodulation bei dem 20-sten Teil der Wellenlänge. Daraus
ergeben sich kleine Aspektverhältnisse
(< 1) für die Ausprägung einer
einfachen, binären
Reliefstruktur.
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Der
Wirkungsgrad ist ein eingeprägter
Parameter des im Glas vergrabenen DOE und kann in weiten Grenzen
vom Anwender spezifiziert werden. Der Anteil der ausgekoppelten
Strahlung (Beugungswirkungsgrad) ist dabei in weiten Grenzen unabhängig vom
Montagewinkel des Bauteils und von der Polarisation der Strahlung.
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Die
Herstellung des DOE geschieht durch bekannte mikro-lithografische
Belichtungs- und Strukturierungsprozesse. Die für die Erzeugung von Phasengittern
geeigneten Verfahren und Strukturen (Ätzverfahren und thermische
Ionenaustauschverfahren) sind bekannt (beispielsweise
EP-0 269 996A1 ).
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Die
Herstellung eines vergrabenen Phasengitters als DOE im Inneren direkt
in dem ersten Prisma 4 kann u. a. durch den thermischen
Ionenaustausch erfolgen. Das DOE entsteht durch ein kurzzeitiges
Tauchverfahren in eine kationen-haltige Schmelze, die einen bestimmten
Anteil an glaseigenen Kationen enthält. Dabei können sowohl schwerere Kationen,
beispielsweise Silber-Kationen (AG+) in das
Glas eingebracht werden oder auch aus dem Glas heraus gelöst werden.
Prozessdauer und Temperatur bestimmen letztlich das gewünschte Strahlteilungsverhältnis. Nach
dem Stand der Technik kann dazu ein handelsübliches Boro-Alumino-Silikatglas
zum Beispiel BK7-Glas (L. Ruß;
F&M 100 (6) p.
245–47,
1992) verwendet werden. Durch ein bekanntes mikro-lithographisches Ätzverfahren
kann das DOE auch in eine BK7 Glasplatte eingebracht werden die
an der Strahleingangsfläche
des ersten Prismas 4 festgehalten (aufgeklebt) ist.