DE102006059217B4

DE102006059217B4 - Optischer Strahlteiler

Info

Publication number: DE102006059217B4
Application number: DE200610059217
Authority: DE
Inventors: Christoph Prof. Dr. Thoma; W.U. Dipl.-Ing. Dickel; H. Prof. Dr. Kreitlow
Original assignee: FACHHOCHSCHULE OLDENBURG OSTFR; FACHHOCHSCHULE OLDENBURG/OSTFRIESLAND/WILHELMSHAVEN
Current assignee: FACHHOCHSCHULE OLDENBURG OSTFR; FACHHOCHSCHULE OLDENBURG/OSTFRIESLAND/WILHELMSHAVEN
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: DE102006059217A1

Abstract

Optischer Strahlteiler (1) mit einem diffraktiven optischen Element (DOE) zur Auskopplung eines fokussierten Strahles aus einem Lichtstrom,
zum Einsatz in Systemen mit hohen optischen Strahlungsflüssen oder für Lasersysteme, dadurch gekennzeichnet,
– dass der Strahlteiler (1) aus einem Prismensatz (6, 7) aus zwei gleichen Prismen besteht, die über einen Luftspalt (5) auf Abstand gehalten sind,
– dass der Luftspalt (5) so angeordnet und ausgebildet ist, dass der Lichtstrom (2) den Prismensatz (6, 7) ohne Strahlversatz und ohne Leistungsverlust durchdringt,
– dass die strahleintrittsseitige erste optische Fläche (8) des in Strahlrichtung des Lichtstroms (2) liegenden ersten Prismas (6) des Prismensatzes (6, 7) das DOE enthält und
– dass das DOE derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es einen Strahlungsanteil (4) von dem Lichtstrom (2) in Richtung auf den Luftspalt (5) ablenkt, wo er an der die zweite optische Fläche des ersten Prismas (6) bildenden Grenzfläche (10) zum...

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
In der zugehörigen Zeichnung sind zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung zwei Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Hierin zeigt
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
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°.
Entsprechende Teile der 1 und 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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.
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.
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).
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).
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.
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.
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.
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.
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 ).
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.

Claims

Optischer Strahlteiler (1) mit einem diffraktiven optischen Element (DOE) zur Auskopplung eines fokussierten Strahles aus einem Lichtstrom, zum Einsatz in Systemen mit hohen optischen Strahlungsflüssen oder für Lasersysteme, dadurch gekennzeichnet, – dass der Strahlteiler (1) aus einem Prismensatz (6, 7) aus zwei gleichen Prismen besteht, die über einen Luftspalt (5) auf Abstand gehalten sind, – dass der Luftspalt (5) so angeordnet und ausgebildet ist, dass der Lichtstrom (2) den Prismensatz (6, 7) ohne Strahlversatz und ohne Leistungsverlust durchdringt, – dass die strahleintrittsseitige erste optische Fläche (8) des in Strahlrichtung des Lichtstroms (2) liegenden ersten Prismas (6) des Prismensatzes (6, 7) das DOE enthält und – dass das DOE derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es einen Strahlungsanteil (4) von dem Lichtstrom (2) in Richtung auf den Luftspalt (5) ablenkt, wo er an der die zweite optische Fläche des ersten Prismas (6) bildenden Grenzfläche (10) zum Luftspalt (5) einer Totalreflektion unterliegt und als fokussierter Strahl (9) über die dritte optische Fläche (11) des ersten Prismas (6) aus dem Strahlteiler (1) austritt.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Lichtstrom (2) abgelenkte Lichtstrahl (4) einen Beugungswirkungsgrad von 0,1% bis 1% aufweist, der über die ganze Eintrittsfläche (8) des ersten Prismas (6) konstant ist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abgelenkte Lichtstrahl (4) einen Beugungswinkel von wenigstens 8° aufweist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass zur optischen Korrektur des Astigmatismus am fokussierten Lichtstrahl (9) ein zusätzliches Prisma (12) vorgesehen ist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das DOE derart ausgebildet ist, dass zur Korrektur der Strahlaberration der fokussierte Lichtstrahl (9) im Brennpunkt des DOE abgebildet ist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das DOE derart ausgebildet ist, dass zwei fokussierte Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Beugungswinkeln von dem Lichtstrom (2) auf den Luftspalt (5) ablenkbar sind.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungswinkel der fokussierten Lichtstrahlen 8° bzw. 16° betragen, die jeweils an dem Luftspalt (5) einer Totalreflexion ausgesetzt sind und einen Austrittswinkel von 80° bzw. 120° aufweisen.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Blende im Brennpunkt des DOE zur Unterdrückung von Streulicht und Reflexionen angeordnet ist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Prismenflächen metallische oder dielektische Dünnschichten als Antireflex-Schichten aufweisen.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmission des durch den Strahlteiler (1) gehenden Lichtstromes (2) oberhalb von 99% liegt.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrom (2) ein Nd:YAG-Laserstrahl ist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrom (2) eine Weißlichtbeleuchtung ist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zu einem Würfel/Quader zusammengesetzten Prismen (6, 7) einen Anstellwinkel von 5° haben und dass der Luftspalt (5) eine Weite von 0,65 mm aufweist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das DOE aus einem Glaschip (3) besteht, der vor der Strahleingangsfläche (8) des ersten Prismas (6) des Strahlteilers (1) angeordnet ist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, da das DOE durch einen mikro-lithographischen Ätzprozess in den Glaschip (3) eingeprägt ist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das DOE durch thermischen Ionenaustausch in den Glaschip (3) eingeprägt ist.
Strahlteiler (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaschip (3) eine BK7 Glasplatte ist, die auf die Strahleingangsfläche (8) des ersten Prismas (6) aufgeklebt ist.