DE102016116410A1

DE102016116410A1 - Optisches system zur einkopplung von laserlicht in eine lichtleitfaser, insbesondere eine einmoden-faser und ein verfahren zur erhöhung einer einstellgenauigkeit eines fokus eines lichtstrahls

Info

Publication number: DE102016116410A1
Application number: DE102016116410.0A
Authority: DE
Inventors: Max Funck
Original assignee: Pt Photonic Tools GmbH
Current assignee: Pt Photonic Tools GmbH
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2036-09-03
Also published as: DE102016116410B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Einkopplung von Laserlicht in eine Lichtleitfaser, insbesondere eine Einmoden-Faser, umfassend mindestens ein erstes und ein zweites optisches Element und ein Verfahren zur Erhöhung einer Einstellgenauigkeit eines Fokus eines Lichtstrahls

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Einkopplung von Laserlicht in eine Lichtleitfaser, insbesondere eine Einmoden-Faser, umfassend mindestens ein erstes und ein zweites optisches Element und ein Verfahren zur Erhöhung einer Einstellgenauigkeit eines Fokus eines Lichtstrahls.
Zum Betrieb einer faserbasierten Strahlführung für Laserlicht werden Lichtleitkabel eingesetzt, die aus einer Lichtleitfaser mit konfektionierten Steckerenden bestehen. Die Schnittstelle zwischen Laserstrahlquelle und Lichtleitkabel bzw. zwischen mehreren Lichtleitkabeln wird durch optomechanische Systeme realisiert, die eine Fokussierung des Laserlichts auf den Kern der Lichtleitfasern bewirken. Eine solche Einkoppeleinheit kann im einfachsten Fall aus einer einfachen Linse oder einem komplexen Linsensystem bestehen. Hierzu sind eine Reihe an Beispielen aus den Bereichen Telekommunikation und Lasermaterialbearbeitung bekannt. Diese Systeme erlauben eine Einstellung der Fokusposition (in drei translatorischen Achsen) beispielsweise über verschiebbare Linsen oder eine Bewegung der Lichtleitfaser.
Für Lichtleitkabel mit sogenannten Single-Mode Fasern werden besonders hohe Anforderungen an die Einkoppeleinheit gestellt. Die Abbildungsgüte der Einkoppeleinheit und die Präzision der Strahlausrichtung zur Lichtleitfaser stellen aufgrund der kleinen Kerndurchmesser, typischerweise wenige µm bis einige 10 µm, besonders hohe Anforderungen. Beim Einsatz von Hohlkernfasern, insbesondere solchen zum Transport von Laserlicht mit kurzen oder ultrakurzen Pulsen und hoher Leistung, sind extreme Anforderungen an Positionierung des Fokus zur Lichtleitfaser und Ausrichtung des Strahleinfallwinkels von entscheidender Bedeutung, um Laserlicht mit hoher Strahlqualität transportieren zu können und Beschädigungen des Fasermaterials zu vermeiden.
Die Einstellgenauigkeiten von Position und Winkel des Laserstrahls in Bezug zur optischen Achse der Lichtleitfaser bei der Strahleinkopplung liegen in Bereichen < 1 µm und < 1 mrad. Da sich Genauigkeiten in den genannten Präzisionsbereichen nicht über eine passive Montage realisieren lassen, kommen in der Praxis einstellbare optomechanische Lösungen zum Einsatz, die eine Justage des Laserstrahls zur Faser ermöglichen. Aus dem Hochleistungs-continuous wave-Laserbereich sind dabei vorwiegend Realisierungen bekannt, bei denen entweder die in einem Stecker gefasste optische Faser, eine Fokussierlinse oder Gruppen aus Linsen bewegt werden. Der Begriff „continuous wave“ steht im Sinne der Erfindung bevorzugt für Dauerstrich-Betrieb. Dabei wird insbesondere die lateral zur optischen Achse ausgeführte Bewegung genutzt, um eine Justage der Positionierung von Laserstrahlfokus in Bezug zum Faserkern zu ermöglichen. Für den bekannten Aufbau ergibt sich bei Bewegung der Fokussierlinse eine nahezu 1:1-Beziehung zwischen Fokusbewegung und Linsenbewegung. Für die zu erreichenden Genauigkeiten von 1 µm ist damit eine Einstellgenauigkeit der Fokussierlinse von ebenfalls 1 µm erforderlich.
Derart gestaltete Systeme haben eine große Empfindlichkeit gegenüber mechanischen, das heißt statischen und dynamischen, und thermischen Lasten, die auf die Einstellelemente wirken. Darüber hinaus ist die Realisierung einer derartigen Genauigkeit mit einem erheblichen Fertigungsaufwand verbunden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, ein optisches System bereitzustellen, dass nicht die Mängel und Nachteile des Standes der Technik aufweist und mit dem die Einstellgenauigkeit eines Fokus und/oder einer Strahllage von Laserlicht erhöht werden kann und mit dem insbesondere auf den Einsatz von kostenintensiven mechanischen Verstellmitteln im Mikrometerbereich verzichtet werden kann.
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, ein optisches System zur Einkopplung von Laserlicht in eine Lichtleitfaser bereitzustellen, umfassend eine Lichtleitfaser, insbesondere eine Einmoden-Faser, und mindestens ein erstes und ein zweites optisches Element, wobei das zweite optische Element eine geringere Sensitivität als das optische System aufweist und innerhalb des optischen Systems beweglich ausgebildet ist. Dabei ist es im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass die Sensitivität des zweiten optischen Elements gegenüber der Fokuslagenänderung und/oder der Abbildungsgüte kleiner ist als die Sensitivität des optischen Systems, wobei es vorzugsweise ausreicht, wenn der Einfluss dieses Unterschieds klein genug ist. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, wenn ein Element mit dem geringsten Einfluss auf die Abbildung bewegt wird, es kann aber für spezielle Anwendungen ebenso bevorzugt sein, wenn Elemente, deren Einfluss auf die Abbildung größer sind, bewegt werden. Es kann im Sinne der Erfindung weiter besonders bevorzugt sein, dass die Sensitivität des zweiten optischen Elements kleiner ist als die Sensitivität des ersten optischen Elements.
Vorzugsweise kann die Sensitivität in Bezug auf die Größen x und y als Veränderung einer Größe x als Funktion einer Größe y definiert werden: S(x, y) = dx/dy. Für die Sensitivität bezüglich der Fokuslagenänderung in lateraler Richtung gilt vorzugsweise die Relation S(r_Fokus, r_Linse) = dr_Fokus/dr_Linse.
Vorteilhafterweise wird dadurch die Verschiebung des Fokus in radialer Richtung zur optischen Achse dr_Fokus in Abhängigkeit der radialen Verschiebung einer Linse und/oder einer Gruppe von Linsen dr_Linse bestimmt. Beispielsweise kann eine Sensitivität gegenüber Abbildungsfehlern, zum Beispiel Aberrationen, und/oder Abbildungsqualität wie folgt angegeben werden:
S(sphAberration, rLinse) oder
S(Koma, rLinse) oder
S(Strehl, rLinse),
wobei die Abkürzung „Strehl“ für die Strehlsche Definitionshelligkeit als Güte der Abbildung misst. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass diese Sensitivitäten klein sind. Dadurch wird vorteilhafterweise ermöglicht, dass bei Bewegung der Linse und/oder der Gruppe von Linsen keine Beeinträchtigung des Fokus hervorgerufen wird.
Ein optisches System besteht im Sinne der Erfindung bevorzugt aus mehreren optischen Elementen, die vorzugsweise entlang einer optischen Achse angeordnet vorliegen. Als optische Achse wird bevorzugt die virtuelle gerade Linie bezeichnet, die mit der Symmetrieachse eines reflektierenden und/oder brechenden optischen Elements beziehungsweise der optischen Elemente, die in ihrer Gesamtheit das optische System bilden, übereinstimmt. d.h. das optische System in zwei zueinander achsensymmetrische Teile, die im Sinne der Erfindung bevorzugt als obere und untere Hälfte des optischen Systems bezeichnet werden, unterteilt. Ein optisches Element im Sinne der Erfindung ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Blende, Filter, Linse, Prisma, diffraktive optische Elemente, Spiegel, ohne darauf beschränkt zu sein.
Blenden werden im Sinne der Erfindung bevorzugt von Öffnungen in optischen Systemen gebildet, mit denen die räumliche Ausdehnung eines Lichtstrahls begrenzt werden kann. Vorteilhafterweise können Iris-, Loch- und/oder Schlitzblenden eingesetzt werden, mit denen vorzugsweise die Lichtmenge, die durch eine Öffnung hindurchtritt, reguliert wird. Vorteilhafterweise sind Blenden üblicherweise in der Nähe von Linsen vorgesehen.
Eine Linse ist im Sinne der Erfindung bevorzugt ein Körper aus einem lichtdurchlässigen Material durch den Licht, d.h. ein Lichtstrahl oder ein Lichtbündel, hindurchgeleitet wird und auf dessen Oberfläche(n) das physikalische Phänomen der Brechung auftritt und zu einer Veränderung des Lichtwegs führen kann. Linsen werden bevorzugt aus optischen Gläsern, Calciumfluorid, Saphir und/oder Kunststoffen, wie beispielsweise Polycarbonaten, Polymethylmethacrylaten oder Cyclo-Olefin-(Co)polymeren hergestellt. Üblicherweise weisen Linsen zwei gegenüberliegende lichtbrechende Flächen auf, von denen mindestens eine konvex oder konkav gewölbt ist.
Konkave Oberflächen sind bevorzugt nach innen gewölbt, d.h. sie weisen in einem mittleren Bereich, durch den üblicherweise die virtuelle optische Achse oder die sogenannte Strahllage, d.h. eine gedachte Mittellinie durch den Lichtstrahl, verläuft, einen geringeren Durchmesser auf als in den äußeren Bereichen der Linse. Konkave Linsenoberflächen führen bevorzugt zu einer Streuwirkung auf das eingestrahlte Licht, in dem Sinne, dass der Durchmesser eines einfallenden Lichtbündels aufgeweitet wird, d.h. nach Durchgang durch eine Zerstreuungslinse einen größeren Durchmesser aufweist als zuvor. Sammellinsen weisen im Sinne der Erfindung bevorzugt mindestens eine nach außen gewölbte konvexe Oberfläche auf, so dass der Körper aus dem lichtdurchlässigen Material in einem mittleren Bereich einen größeren Durchmesser aufweist als in den äußeren Bereichen deutlich oberhalb und unterhalb der optischen Achse beziehungsweise der Strahllage. Im Sinne der Erfindung ist es auch bevorzugt, dass die Art der Oberflächenwölbung einer Linse den Durchgang des Lichtstrahls beeinflusst, insbesondere die Richtung des Lichtstrahls, die im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als Strahllage bezeichnet wird. Darüber hinaus hängt auch der Brennpunkt eines Lichtstrahls, der eine Linse passiert, von der Art und Stärke der Wölbung der Linsenoberfläche(n) ab.
Der Brennpunkt oder Fokus ist ein ausgezeichneter Punkt eines abbildenden optischen Systems, in dem sich nach Durchgang durch eine Linse die zuvor beispielsweise parallel zur optischen Achse verlaufenden Strahlen eines Lichtstrahls schneiden. Vorzugsweise befindet sich der Brennpunkt auf der optischen Achse, wobei der Abstand zwischen Linse und Fokus bevorzugt als Brennweite bezeichnet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein optisches System zur Einkopplung von Laserlicht in eine Lichtleitfaser umfassend eine Lichtleitfaser, insbesondere eine Einmoden-Faser, und mindestens ein erstes und ein zweites optisches Element, wobei das zweite optische Element eine geringere laterale Empfindlichkeit als das optische System aufweist und innerhalb des optischen Systems beweglich ausgebildet ist. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass die Abbildungsgüte erhalten bleibt. Es ist in konventionellen optischen Systemen bekannt, zur Optimierung der Abbildungsgüte Schiebelinsen zu verwenden. Allerdings werden diese eingesetzt, um Abbildungsfehler, wie beispielsweise Achskoma, auf der optischen Achse zu korrigieren. Damit ist insbesondere die Sensitivität S(Aberration, rLinse) nicht null, so dass eine Veränderung durch Bewegung erfolgen kann.
Die Erfinder haben erkannt, dass die zugrundeliegende Aufgabe überraschenderweise durch ein optisches System zur Fokussierung der Laserstrahlung gelöst werden kann, in das gezielt ein optisches Element mit reduzierter lateraler Empfindlichkeit eingebracht wird und auf diese Weise bevorzugt einen „optischen Hebel“ realisiert. Mit anderen Worten bezeichnet ein optisches Element mit reduzierter lateraler Empfindlichkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein optisches Element, bei dem die Strahllage bei lateraler Verschiebung geringer ausfällt als im Vergleich zu den übrigen optischen Elementen und damit vorteilhafterweise eine geringere Sensitivität als die übrigen optischen Elemente oder Gruppen von optischen Elementen aufweist. Diese beiden Formulierungen werden im Folgenden synonym verwendet.
Unter dem Begriff „optischer Hebel“ wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass die Beziehung von Bewegungsweg des optischen Elements zu resultierender Bewegung des Laserstrahlfokus von 1:1 abweicht und vorteilhafterweise im Bereich von 2:1 oder kleiner liegt. Durch Verschiebung dieses Elements kann dann eine Einstellmechanik mit deutlich geringer Einstellgenauigkeit verwendet werden, so dass ein besonders robustes und preiswertes System realisiert werden kann. Die Realisierung eines optischen Hebels kann gleichermaßen für die Einstellung in lateraler, wie axialer Richtung erreicht werden.
Es war vollkommen überraschend, dass ein optisches System bereitgestellt werden kann, bei dem eine besonders hohe Einstellgenauigkeit eines Fokus und einer Strahllage eines Laserlichtstrahls durch die Bewegung von mindestens einem optischen Element mit geringer Sensitivität und/oder reduzierter bilateraler Empfindlichkeit erreicht werden kann. Die Verwendung eines solchen Elements stellt eine Abkehr vom Stand der Technik dar, wonach üblicherweise ein einzelnes optisches Element oder eine fest zueinander angeordneten Gruppe optischer Elemente zur Fokussierung eingesetzt und die Bewegung dieses optischen Elements mithilfe von mechanischen Verstellmitteln, insbesondere kostenintensiven Mikrometer-Schrauben, realisiert wird.
Überraschenderweise ermöglicht die Verwendung eines zusätzlichen optischen Elements mit geringerer Sensitivität und/oder lateraler Empfindlichkeit ein besonders genaues Einkoppeln des Laserlichtstrahls in die weiterführende Lichtleitfaser, die im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als optische Faser bezeichnet wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn Hohlkernfasern als Lichtleitfasern verwendet werden, da sie einen sehr kleinen Kerndurchmesser aufweisen, der von dem einzukoppelnden Lichtstrahl exakt getroffen werden muss, um ein optimales Einkoppelergebnis zu erzielen. Da der Durchmesser der Hohlkernes deutlich kleiner ist als der Gesamtdurchmesser einer Lichtleitfaser, stellt die Verwendung von Hohlkernfasern eine besondere Herausforderung an das bereitzustellende optische System hinsichtlich der zu erreichenden Einstellgenauigkeit des Fokus zum Laserstrahl beziehungsweise seiner Strahllage.
Hohlkernfasern sind bevorzugt dadurch charakterisiert, dass die Lichtleitfaser nicht von einem massiven lichtdurchlässigen Material gebildet wird, sondern einen hohlen Kern aufweist, der üblicherweise mittig in der optischen Faser vorliegt und mit einem Gas, einem Gasgemisch, zum Beispiel Luft, gefüllt sein kann, wobei die Art der Füllung vorzugsweise die optischen Eigenschaften der Faser bestimmt. Bekannt sind in diesem Zusammenhang Kagomé-Muster oder anti-resonante Fasern, die einen mittig in der Faser angeordneten Hohlraum aufweisen. Darüber hinaus können in der Lichtleitfaser weitere Hohlräume oder Kapillaren vorgesehen sein. Hohlkern-Bandlücken-Kristallfaser nutzen Bandlücken-Effekte für die Lichtleitung aus, während Hohlkernfasern mit Kagomé-Muster vorteilhafterweise eine geringe Dichte an Mantelzuständen aufweisen, wodurch eine Lichtleitung über einen breiteren spektralen Bereich bei höherer Dämpfung erreicht wird. Hohlkernfasern weisen üblicherweise eine Vielzahl dünner Wänden oder Stege auf, die die einzelnen Hohlräume oder Kavitäten, insbesondere den hohlen Kern, voneinander trennen.
Vorteilhafterweise sind Hohlkernfaser besonders für die Übertragung von Licht mit hohen Leistungen geeignet. Die Erfinder haben erkannt, dass das vorliegende optische System besonders gute Einkoppelergebnisse für Licht im Bereich von 200 bis 1100 nm erzielt. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, wenn die Hohlkernfasern für Leistungen in einem Bereich bis 1 kW eingesetzt werden, während der continuous wave-Modus im Leistungsbereich bis 10 kW vorteilhaft eingesetzt werden kann.
Je nach konkreter struktureller Ausgestaltung können die Hohlkernfasern für unterschiedliche Leistungsbereiche eingesetzt werden. Sie unterscheiden sich vorzugsweise auch in ihrer Verwendbarkeit für diskrete oder nicht-diskrete Wellenlängen und/oder hinsichtlich der infrage kommenden Pulsdauern, die zum Beispiel im Bereich von Piko- bis Femto-Sekunden liegen können. Weitere Vorteile bei der Verwendung von Hohlkernfasern bestehen bevorzugt darin, dass eine niedrige Gruppengeschwindigkeitsdispersion für die Ultrakurzpulsausbreitung erreicht wird, eine hohe Zerstörschwelle der Lichtleitfaser für die Übertragung hoher Pulsenergien und eine hohe Empfindlichkeit für spektroskopische Anwendungen beispielsweise im Bereich der Biophotonik.
Das erfindungsgemäße optische System stellt des Weiteren eine Abkehr vom Stand der Technik dar, weil im Vergleich zu konventionellen optischen Systemen ein zusätzliches optisches Element, hier das zweite optische Element mit reduzierter lateraler Empfindlichkeit oder geringerer Sensitivität, im erfindungsgemäßen optischen System vorgesehen ist. Der durchschnittliche Fachmann ist demgegenüber üblicherweise bemüht, die Anzahl der zu verwendenden Komponenten eines Systems zu reduzieren, so dass die vorliegende Erfindung in eine von der üblichen Entwicklung entgegengesetzte Richtung weist.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung besteht die Abkehr vom Stand der Technik insbesondere darin, dass ein optisches System bereitgestellt wird, welches komplexer ausgestaltet ist als solche aus dem Stand der Technik bekannten optischen Systeme zur Einstellung einer Strahllage oder eines Brennpunktes eines Laserlichtstrahls, wobei die Erfinder erkannt haben, dass durch die Integration eines zusätzlichen optischen Elements, das eine reduzierte laterale Empfindlichkeit hinsichtlich der Fokuslage und gleichzeitig eine reduzierte Sensitivität der Abbildungsgüte gegenüber den übrigen optischen Elementen des optischen Systems aufweist, eine erhebliche Kostenreduktion bei der Bereitstellung der mechanischen Verstellmittel des optischen Systems erzielt werden kann. Es war des Weiteren vollkommen überraschend, dass durch die Verwendung des zusätzlichen optischen Elements auch die Einstellgenauigkeit des erfindungsgemäßen Systems gegenüber konventionellen optischen Systemen erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß ist das zweite optische Element innerhalb des optischen Systems beweglich ausgebildet. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Bewegung des zweiten optischen Elements sowohl in lateraler Richtung, als auch in axialer Richtung erfolgen kann. Damit kann vorteilhafterweise eine Justage der Fokuslage in Richtung der optischen Achse erfolgen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Sensitivität gegen sphärische Aberration S(sphAberration, rLinse) sehr gering ist. Der Begriff der „axialen Bewegung“ beschreibt im Sinne der Erfindung eine Bewegung des zweiten optischen Elements in Vor- oder Rückwärtsrichtung entlang der optischen Achse des optischen Systems. Dies entspricht bevorzugt der z-Richtung in dem Koordinatensystem, welches in den 1 und 2 dargestellt ist. Der Begriff der „lateralen Bewegung“ bezeichnet bevorzugt eine Auf- und Abbewegung des zweiten optischen Elements in y-Richtung des in den 1 und 2 dargestellten Koordinatensystems. Der Weg beziehungsweise die Strecke, um die das zweite optische Element in y- und/oder z-Richtung verschoben wird, wird im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als „Verstellweg“ bezeichnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt ein Verhältnis zwischen einem Verstellweg des zweiten optischen Elements und einem Verstellweg eines Fokus eines Laserlichtstrahls bevorzugt im Bereich von 1,5:1 bis 3:1, besonders bevorzugt in einem Bereich von 3:1 bis 7:1 und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 7:1 bis 10:1. Ein Verhältnis der Verstellwege von 2:1 bedeutet beispielsweise, dass der Verstellweg des zweiten optischen Elements doppelt so groß ist wie der Verstellweg des Fokus des Laserlichtstrahls. Die Verschiebung des zweiten optischen Elements kann beispielsweise mittels mechanischen Verstellmitteln erreicht werden, die insbesondere von Schrauben, besonders bevorzugt Mikrometer-Schrauben und Feingewinde-Schrauben, gebildet werden können. Der Begriff „Verstellweg eines Fokus eines Laserlichtstrahls“ beschreibt im Sinne der Erfindung bevorzugt die Strecke, um die sich der Brennpunkt und/oder die Strahllage eines Laserlichtstrahls verschieben kann. Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, dass durch die Bewegung des zweiten optischen Elements eine Verschiebung des Fokus beziehungsweise der Strahllage eines Laserlichtstrahls, der durch das optische Element geführt wird, erreicht wird.
Ein Verhältnis von 10:1 bedeutet beispielsweise, dass der Verstellweg des zweiten optischen Elements 10 mal so lang ist wieder der des Fokus beziehungsweise der Strahllage. Es war vollkommen überraschend, dass durch die Integration des zweiten optischen Elements mit reduzierter lateraler Empfindlichkeit oder geringerer Sensitivität in das erfindungsgemäße optische System eine Verstellung des Fokus durch eine Verstellung des zweiten optischen Elements erreicht werden kann, wobei das zweite optische Element um eine im Vergleich zum Fokus deutlich längere Strecke verschoben wird. Dadurch wird es überraschenderweise ermöglicht, auf den Einsatz kostenintensiver Mikrometer-Schrauben zum Verstellen des zweiten optischen Elements zu verzichten.
Aufgrund des Zusammenhangs zwischen der Verschiebung des zweiten optischen Elements und der Verschiebung der Fokuslage des Laserlichtstrahls wird im Sinne dieser Erfindung von einem „optischen Hebel“ gesprochen, der durch das Einbringen des zweiten optischen Elements mit geringer Sensitivität beziehungsweise reduzierter lateraler Empfindlichkeit in das optische System erzielt wird. Es war vollkommen überraschend und stellt eine Abkehr vom bisherigen Stand der Technik dar, zusätzliche optische Elemente, die darüber hinaus über eine reduzierte Sensitivität verfügen, in ein optisches System einzubringen und auf diese Weise die Einstellgenauigkeit einer Fokus- und/oder Strahllage eines Laserlichtstrahls zu erhöhen. Die Erfinder haben ferner erkannt, dass darüber hinaus auf den Einsatz von teuren mechanischen Verstellmitteln, beispielsweise von Mikrometerschrauben, verzichtet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist durch eine Bewegung des zweiten optischen Elements ein Fokus des Laserlichts einstellbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Fokus eines Laserlichtstrahls in bilateraler und/oder axialer Richtung verstellbar. Insbesondere ist eine Lage des Fokus in lateraler und/oder axialer Richtung einstellbar. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das zweite optische Element, beispielsweise in y- und/oder z-Richtung des in den 1 und 2 dargestellten Koordinatensystems bewegt wird und bedingt durch diese Verschiebung des zweiten optischen Systems die Strahllage oder der Brennpunkt des Laserlichtstrahls verändert werden kann. Dass dies mit einem optischen Element möglich ist, dass eine geringe Sensitivität beziehungsweise eine reduzierte laterale Empfindlichkeit aufweist, war von der Fachwelt bisher nicht erkannt worden.
Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, dass eine Fokusgröße durch Verschiebung entlang einer optischen Achse verstellbar ist. Insbesondere wird die Verstellbarkeit der Größe des Brennpunkts dadurch erreicht, dass das zweite optische Element entlang der optischen Achse des optischen Systems verschoben wird, d.h. seine Position auf der optischen Achse ändert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Winkel α zwischen dem Laserlichtstrahl und der optischen Achse der Lichtleitfaser verstellbar. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass der Winkel in einem Bereich von bevorzugt einige Millirad bis circa 10 mrad liegt. Vorzugsweise wird der Winkel an der Stelle der Einkopplung gebildet, d.h. bevorzugt in dem Bereich des optischen Systems, an dem das Laserlicht in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die optischen Elemente, das heißt das erste und/oder das zweite optische Element, jeweils von Gruppen von optischen Elementen gebildet. Dabei kommen insbesondere optische Elemente aus der Gruppe Linsen, Spiegel und/oder diffraktive optische Elemente in Betracht, wobei diese Elemente, ohne darauf konkret beschränkt zu sein, vorteilhafterweise beliebig kombiniert werden und je nach Einsatzgebiet eine technisch sinnvolle Einheit bilden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden weitere Elemente, insbesondere optische Elemente, zur Einstellung der Fokusgröße verwendet. Die weiteren Elemente können bevorzugt ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Linsen, Spiegel, diffraktive optische Elemente, phasenverändernde Elemente, aktive Spiegel und/oder spatial light modulators, die eine Änderung des Divergenzwinkels vor dem Fokus hervorrufen können.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung einer Einstellgenauigkeit eines Fokus eines Lichtstrahls, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellung eines erfindungsgemäßen optischen Systems
b) Bereitstellung einer Lichtleitfaser
c) Einkoppeln des Lichtstrahls in die Lichtleitfaser mittels des optischen Systems
d) Optimierung einer Fokuslage des Lichtstrahls durch eine Bewegung des zweiten optischen Elements innerhalb des optischen Systems

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung ist die Lichtleitfaser eine Hohlkernfaser.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines optischen Systems, wobei die Lichtleitfaser eine Hohlkernfaser ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand der folgenden Figuren veranschaulicht.
1: Konventionelle Fokussierung
2: bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems mit optischen Hebel
3a bis 3c: beispielhafte Linsen und Linsenkonfigurationen, deren Sensitivitäten miteinander verglichen werden
4: Auftragung der Sensitivität der radialen Fokuslage beziehungsweise der Abbildungsleistung gegen die radiale Linsenlage
1 zeigt eine konventionelle Fokussierung eines Laserlichtstrahls (14) durch ein konventionelles optisches System. Dargestellt ist ein erstes optisches Element (10), das beispielsweise von einer Linse gebildet werden kann und mit dem der Lichtstrahl (14) in die Lichtleitfaser (12) eingekoppelt wird. Dargestellt ist weiter der Brennpunkt (16) des Laserlichtstrahls (14), der bevorzugt auch als Fokus bezeichnet wird. 1 enthält des Weiteren ein Koordinatensystem, welches die Orientierung in den drei Raumrichtungen x, y und z erleichtern soll. Dabei wird die z-Richtung des in 1 dargestellten Koordinatensystems bevorzugt auch als axiale Richtung bezeichnet. Die y-Richtung des dargestellten Koordinatensystems wird bevorzugt als laterale Richtung bezeichnet.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems (20) mit optischem Hebel. Zusätzlich zu dem in 1 dargestellten konventionellen optischen System weist das erfindungsgemäße optische System (20) ein zweites optisches Element (18) auf, dass erfindungsgemäß eine geringere Sensitivität und/oder eine reduzierte laterale Empfindlichkeit als das optische System (20) aufweist. Die Bezeichnung „erstes optisches Element“ (10) und „zweites optisches Element“ (18) hat dabei bevorzugt keine Bedeutung für die Reihenfolge und/oder Anordnung der Elemente innerhalb des erfindungsgemäßen Systems. Das zweite optische Element (18) ist beweglich ausgestaltet, wodurch vorteilhafterweise der Fokus (16) des Laserlichtstrahls (14) in axialer und/oder lateraler Richtung verschoben werden kann. Es kann für einige Anwendungen der Erfindung auch bevorzugt sein, dass das zweite optische Element (18) eine geringere Sensitivität und/oder eine geringere laterale Empfindlichkeit als das erste optische Element (10) aufweist.
Bei der Lichtleitfaser (12) kann es sich bevorzugt um eine Hohlkernfaser handeln, bei der das Laserlicht vorzugsweise in einem hohlen Kern, der mittig innerhalb der Faser angeordnet vorliegt, geführt wird. Aufgrund der speziellen Ausgestaltung der Lichtleitfaser (12) stellt die Fokussierung eines Laserlichtstrahls (14) bei der Verwendung von Hohlkernfasern als Lichtleitfasern (12) zum Transport des Laserlichts (14) eine besondere technische Herausforderung dar, weil der Laserlichtstrahl (14) nicht in jeden beliebigen Bereich der Lichtleitfaser (12) eingekoppelt werden kann, sondern vorzugsweise in den kleineren Bereich des Hohlkerns der Lichtleitfaser (12).
Bei der Verwendung eines konventionellen optischen Systems mit einem ersten optischen Element (10) ist diese Justage sehr aufwendig beziehungsweise es sind hochpräzise mechanische Bauteile für die Durchführung der Justage erforderlich, die mit hohen Anschaffung- und Wartungskosten verbunden sind. Diese aufwendige Justage und das Erfordernis von kostenintensiven präzisen Bauteilen umgeht das erfindungsgemäße System (20) dadurch, dass im Strahlengang zwischen dem ersten optischen Element (10) und der Lichtleitfaser (12), in deren Hohlkern das Laserlicht (14) eingekoppelt werden soll, ein zweites optisches Element (18) vorgesehen ist, das eine geringere Sensitivität und/oder eine reduzierte laterale Empfindlichkeit als das erste optische Element (10) aufweist.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch eine Bewegung des zweiten optischen Elements (18) auch der Brennpunkt (16) beziehungsweise die Laserlichtstrahllage (14) verändert werden kann, und zwar bevorzugt in axialer und/oder lateraler Richtung. Unter Zuhilfenahme des in 2 dargestellten Koordinatensystems entspricht die axiale Richtung der z-Richtung und die laterale Richtung der y-Richtung des dargestellten Koordinatensystems.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch eine Verschiebung beziehungsweise durch die Verschiebbarkeit des zweiten optischen Elements (18) um einen Betrag B eine deutlich kleinere Verschiebung b des Brennpunkts (16) oder der Strahllage des Laserlichtstrahls (14) erreicht werden kann. Vorteilhafterweise wird dadurch mit einer großen Verschiebung des zweiten optischen Elements (18) eine feine Justierung des Brennpunkts (16) oder der Strahllage des Laserlichtstrahls (14) erreicht, wobei für die große Verstellung des zweiten optischen Elements (18) vorteilhafterweise auf die Verwendung von hochpräzisen mechanischen Verstellmitteln verzichtet werden kann. Das Einkoppeln von Laserlicht (14) in eine Lichtleitfaser (12), die vorzugsweise einen Hohlkern umfasst, wird durch das Einbringen eines zweiten optischen Elements (18) mit im Vergleich zum optischen System (20) geringerer Sensitivität und/oder reduzierter lateraler Empfindlichkeit erheblich vereinfacht und kann aufgrund der nicht mehr gegebenen Erfordernisse von hochpräzisen mechanischen Elementen wesentlich kostengünstiger gestaltet werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn beispielsweise Laserlicht (14) mit kurzen oder ultrakurzen Pulsen, das heißt Pulsdauern im Bereich von bevorzugt Nano- bis Femto-Sekunden durch die Lichtleitfaser (12) transportiert werden soll.
In der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Systems (20) wird beispielsweise eine Positivlinse mit geringer Brechkraft als zweites optisches Element (18) eingesetzt, wodurch vorteilhafterweise eine Untersetzung der Fokuslageeinstellung ermöglicht wird.
Die 3a bis 3c zeigen beispielhafte Linsen und Linsenkonfigurationen, deren Sensitivitäten miteinander verglichen werden. Dargestellt sind insbesondere eine bikonvexe Einzellinse (3a) und eine asphärische Einzellinse (3b), sowie ein Aufbau aus zwei Linsen (3c), wobei die linke Linse bewegt werden kann. Insbesondere stellt der Aufbau aus zwei Linsen eine bevorzugte Ausführungsform eines Teils des erfindungsgemäßen optischen Systems dar. Weiter zeigen die 3a bis 3c die Wirkungen der jeweils dargestellten Linsen und Linsenkombinationen auf ein eintreffendes, zunächst parallel verlaufendes Lichtbündel. Zu sehen ist, dass das Lichtbündel durch die Linsen bzw. die Kombination von Linsen jeweils zusammengeführt wird, d.h. dass sich das Licht in einem Brennpunkt oder Fokus hinter der Linse oder dem Linsensystem trifft bzw. dort gebündelt wird.
4 zeigt die Auftragung der Sensitivität der radialen Fokuslage beziehungsweise der Abbildungsleistung gegen die radiale Linsenlage, wobei beispielhaft eine Einkoppelung von NA 0,1 gewählt wurde. Die obere Auftragung zeigt, dass die Sensitivität für das Zweilinsensystem, das bevorzugt einen Teil des erfindungsgemäßen optischen Systems darstellt, deutlich reduziert ist im Vergleich zur Empfindlichkeit der Einzellinsen, die im Wesentlichen gleich und/oder ähnlich zueinander sind. Dies gilt sowohl für den positiven, als auch für den negativen Linsenlagenbereich. Vorzugsweise kann die Fokuslage auch als Stahllage bezeichnet werden.
Der untere Teil der 4 zeigt die Abbildungsgüte infolge der Benutzung der unterschiedlichen Linsen oder Linsensysteme. Dabei weisen die asphärische Einzellinse und das Linsensystem ähnlich gute und insbesondere im Wesentlichen konstante Werte für die Abbildungsleistung auf, woraus sich vorteilhafterweise eine besonders gute Verwendbarkeit dieser Linsen bzw. Linsensysteme in Verbindung mit singlemode-Fasern ergibt. Für die bikonvexe Einzellinse ergibt sich ein parabelförmiger Verlauf der Auftragungskurve, der einer höheren Sensitivität hinsichtlich der Fokuslage entspricht, sowie einer hohen Abbildungsgüte. Das Zweilinsensystem weist dahingehen eine geringere Sensitivität hinsichtlich der Fokus- und/oder Strahllage auf.
Bezugszeichenliste

10: erstes optisches Element
12: Lichtleitfaser
14: Laserlicht
16: Fokus des Laserlichtstrahls
18: zweites optisches Element mit geringer Sensitivität und/oder reduzierter lateraler Empfindlichkeit
20: optisches System

Claims

Optisches System (20) zur Einkopplung von Laserlicht (14) in eine Lichtleitfaser (12), insbesondere eine Einmoden-Faser, umfassend mindestens ein erstes (10) und ein zweites (18) optisches Element dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element (18) eine geringere Sensitivität als das optische System (20) aufweist und innerhalb des optischen Systems (20) beweglich ausgebildet ist.
Optisches System (20) zur Einkopplung von Laserlicht (14) in eine Lichtleitfaser (12), insbesondere eine Einmoden-Faser, umfassend mindestens ein erstes (10) und ein zweites (18) optisches Element dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element (18) eine reduzierte laterale Empfindlichkeit als das erste optische Element (10) aufweist und innerhalb des optischen Systems (20) beweglich ausgebildet ist.
Optisches System (20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einem Verstellweg des zweiten optischen Elements (18) und einem Verstellweg einer Strahllage des Laserlichts (14) bevorzugt 2:1, besonders bevorzugt 5:1, am meisten bevorzugt 10:1 beträgt.
Optisches System (20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Bewegung des zweiten optischen Elements (18) ein Fokus (16) des Laserlichts (14) einstellbar ist.
Optisches System (20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – eine Lage des Fokus (16) in lateraler und/oder axialer Richtung, – eine Fokusgröße durch Verschiebung entlang einer optischen Achse und/oder – ein Winkel α zwischen dem Laserlichtstrahl (14) und der optischen Achse der Lichtleitfaser (12) verstellbar ist.
Optisches System (20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste (10) und/oder das zweite (18) optische Element von Gruppen von optischen Elementen gebildet sind.
Optisches System (20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass dadurch gekennzeichnet, dass weitere Elemente zur Einstellung einer Fokusgröße verwendet werden.
Verfahren zur Erhöhung einer Einstellgenauigkeit eines Fokus (16) eines Lichtstrahls (14) umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellung eines optischen Systems (20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche b) Bereitstellung einer Lichtleitfaser (12) c) Einkoppeln des Lichtstrahls (14) in die Lichtleitfaser (12) mittels des optischen Systems (20) d) Optimierung einer Fokuslage (16) des Lichtstrahls (14) durch eine Bewegung des zweiten optischen Elements (18) innerhalb des optischen Systems (20).
Optisches System (20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 oder Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (12) eine Hohlkernfaser ist.