DE102017113954B3 - High-opening fiber collimator - Google Patents
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Abstract
Asphärischer Faserkollimator (1) mit einem Eingang (1.1) zur Einspeisung von Licht aus einer optischen Faser und einem Ausgang (1.2) zur Abgabe von entlang einer in Längsrichtung angeordneten optischen Achse (A) kollimiertem Licht, umfassend
- ein fokussierendes asphärisches rundoptisches Element (2), dessen Brennpunkt (F) eingangsseitig auf der optischen Achse (A) liegt,
- eine Faseraufnahme (4) zur Aufnahme der optischen Faser derart, dass die Austrittsfläche der optischen Faser senkrecht zur optischen Achse (A) liegt und den Brennpunkt (F) des asphärischen rundoptischen Elements (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α) des fokussierenden asphärischen rundoptischen Elements (2) mindestens so groß gewählt ist, dass (1 - 3 · 10-13) · 100 Prozent der von der optischen Faser austretenden optischen Strahlungsenergie in den Öffnungswinkel (α) des fokussierenden asphärischen rundoptischen Elements (2) fallen.
An aspherical fiber collimator (1) having an input (1.1) for inputting light from an optical fiber and an output (1.2) for outputting light collimated along a longitudinally disposed optical axis (A)
a focusing aspherical round-optical element (2) whose focal point (F) lies on the input side on the optical axis (A),
- A fiber receptacle (4) for receiving the optical fiber such that the exit surface of the optical fiber is perpendicular to the optical axis (A) and the focal point (F) of the aspheric round-optical element (2), characterized in that the opening angle (α ) of the focusing aspheric round-optical element (2) is at least so large that (1 - 3 · 10 -13 ) · 100 percent of the optical radiation energy exiting the optical fiber into the aperture angle (α) of the focusing aspherical round-optical element (2) fall.
Description
Die Erfindung betrifft einen Faserkollimator zur Erzeugung von kollimiertem Licht aus Licht, das von einer Faser eingespeist wird.The invention relates to a fiber collimator for producing collimated light from light which is fed by a fiber.
Aus dem Stand der Technik, vgl. z. B. die
Die optische Wirkung der Sammellinse herkömmlicher Faserkollimatoren besteht darin, ein in einem Teilraumwinkelbereich |θ| ≤ θL aus der Faser austretendes Teilbündel von Eingangsstrahlen aufzunehmen und zu kollimieren, wobei dieser Teilraumwinkelbereich von der numerischen Apertur der Sammellinse bestimmt ist. Anstelle der Sammellinse kann auch eine Rundoptikbaugruppe bestehend aus mehreren optischen Elementen eingesetzt sein.The optical effect of the converging lens of conventional fiber collimators is to have a subspace angle range | θ | ≤ θ L to receive and collapse partial beams of input beams emerging from the fiber, this partial space angle range being determined by the numerical aperture of the converging lens. Instead of the convergent lens, it is also possible to use a round optical assembly consisting of several optical elements.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Faserkollimatoren bekannt, bei denen die Sammellinse oder mindestens ein Element einer solchen Rundoptikbaugruppe als asphärische Linse ausgebildet ist und die im Folgenden als asphärische Faserkollimatoren bezeichnet werden. Mittels derartiger asphärischer Faserkollimatoren können sphärische Aberrationen oder Öffnungsfehler bei der Strahlkollimierung vermieden oder vermindert werden.Furthermore, fiber collimators are known from the prior art, in which the converging lens or at least one element of such a round optical assembly is designed as an aspherical lens and which are referred to below as aspherical fiber collimators. By means of such aspherical fiber collimators, spherical aberrations or aperture errors in beam collimating can be avoided or reduced.
Bei Faserkollimatoren nach dem Stand der Technik ist Sammellinse oder die Rundoptikbaugruppe so gewählt, dass deren numerische Apertur der numerischen Apertur der optischen Faser entspricht oder geringfügig darüber liegt, um die Durchmesser solcher Sammellinsen oder Rundoptikbaugruppen zu begrenzen und damit deren Herstellung zu erleichtern.In prior art fiber collimators, the condenser lens or optical assembly is selected such that its numerical aperture is equal to or slightly greater than the numerical aperture of the optical fiber to limit the diameters of such condenser lenses or optical assemblies, thereby facilitating their fabrication.
Unter dieser Bedingung ist somit der Öffnungswinkel der Linse oder der Rundoptikbaugruppe nach dem Stand der Technik gleich oder geringfügig größer als der der numerischen Apertur der optischen Faser zugeordnete Öffnungswinkel. Dann weist das kollimierte Ausgangsstrahlenbündel näherungsweise ein Gauß-Profil auf, bei welchem die Strahlintensität bezogen auf die zentrale Strahlintensität entlang der optischen Achse in Abhängigkeit vom Abstand zur optischen Achse nach einer Gauß-Funktion auf einen Wert von näherungsweise 1/e2 abfällt. Somit wird das aus der optischen Faser austretende Strahlenbündel beim Eintritt in einen solchen Faserkollimator auf diejenigen Strahlen beschnitten, deren Strahlintensität mindestens näherungsweise 13,5% der zentralen Strahlintensität entlang der optischen Achse beträgt. Als eine Folge dieser Beschneidung der Strahlintensität weist die tatsächlich am Ausgang des Faserkollimators erzielte Wellenfront erhebliche Abweichungen von einer ebenen Wellenfront auf, die einer perfekten Kollimierung des Austrittsstrahlenbündels entsprechen würde.Under this condition, therefore, the aperture angle of the lens or the round optical assembly of the prior art is equal to or slightly greater than the aperture angle associated with the numerical aperture of the optical fiber. Then, the collimated output beam approximately has a Gaussian profile at which the beam intensity with respect to the central beam intensity along the optical axis decreases to a value of approximately 1 / e 2 as a function of the distance to the optical axis according to a Gaussian function. Thus, when entering such a fiber collimator, the beam emerging from the optical fiber is trimmed to those beams whose beam intensity is at least approximately 13.5% of the central beam intensity along the optical axis. As a consequence of this beam intensity truncation, the wavefront actually obtained at the output of the fiber collimator has significant deviations from a plane wavefront that would correspond to perfect collimating of the output beam.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten asphärischen Faserkollimator anzugeben, mit dem austrittsseitig ein kollimiertes Austrittsstrahlenbündel erzeugt werden kann, dessen Wellenfront geringere Abweichungen von einer ebenen Wellenfront aufweist als Faserkollimatoren nach dem Stand der Technik. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen solchen verbesserten Faserkollimator für optische Fasern mit besonders hoher numerischer Apertur anzugeben, der zudem den Vorteil einer besonders kurzen Baulänge aufweist. Zudem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein optisches System anzugeben, mit dem in eine optische Faser eingespeistes Licht in kollimiertes austretendes Licht transformiert werden kann, das eine geringere Abweichung von einer ebenen Wellenfront aufweist als bei bekannten optischen Systemen.The invention is based on the object of specifying an improved aspherical fiber collimator with which a collimated exit beam can be produced on the exit side, whose wavefront has smaller deviations from a planar wavefront than fiber collimators according to the prior art. In particular, the invention is based on the object to provide such an improved fiber collimator for optical fibers with a particularly high numerical aperture, which also has the advantage of a particularly short overall length. In addition, the invention is based on the object of specifying an optical system with which light fed into an optical fiber can be transformed into collimated outgoing light, which has a smaller deviation from a planar wavefront than in known optical systems.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des asphärischen Faserkollimators erfindungsgemäß durch einen asphärischen Faserkollimator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des optischen Systems wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein optisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.The object is achieved in terms of the aspherical fiber collimator according to the invention by an aspherical fiber collimator having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Ein asphärischer Faserkollimator weist einen Eingang zur Einspeisung von Licht aus einer optischen Faser und einen Ausgang zur Abgabe von entlang einer in Längsrichtung angeordneten optischen Achse kollimiertem Licht auf. Der asphärische Faserkollimator umfasst ein fokussierendes asphärisches rundoptisches Element, dessen objektseitiger Brennpunkt eingangsseitig auf der optischen Achse liegt.An aspherical fiber collimator has an input for feeding light from an optical fiber and an output for outputting light collimated along a longitudinally arranged optical axis. The aspherical fiber collimator comprises a focusing aspherical round-optical element whose object-side focal point is on the input side on the optical axis.
Der asphärische Faserkollimator umfasst ferner eine Faseraufnahme zur Aufnahme der optischen Faser derart, dass die Austrittsfläche der optischen Faser senkrecht zur optischen Achse liegt und den Brennpunkt des asphärischen rundoptischen Elements umfasst, also in der Brennebene des asphärischen rundoptischen Elements liegt.The aspherical fiber collimator further comprises a fiber receptacle for receiving the optical fiber such that the exit surface of the optical fiber is perpendicular to the optical axis and comprises the focal point of the aspherical round optical element, that is in the focal plane of the aspherical round optical element.
Erfindungsgemäß ist der Öffnungswinkel α des fokussierenden asphärischen rundoptischen Elements mindestens so groß gewählt, dass (1 - 3 · 10-13) · 100 Prozent der von der optischen Faser austretenden optischen Strahlungsenergie in den Öffnungswinkel α des fokussierenden asphärischen rundoptischen Elements fallen. Der minimale Öffnungswinkel α des fokussierenden asphärischen rundoptischen Elements ergibt sich somit aus der numerischen Apertur NA der optischen Faser nach der Beziehung
Wenn ein Anteil P ≥ 1 - 3 · 10-13 der aus der optischen Faser austretenden Strahlungsenergie in den Öffnungswinkel α des fokussierenden asphärischen rundoptischen Elements einfallen soll, so ergibt sich der dafür notwendige Öffnungswinkel α allgemein zu
In vorteilhafter Weise werden dadurch Randstrahlen des von der Austrittsfläche der optischen Faser emittierten Lichts aufgenommen, die auf Grund der begrenzten Apertur von Faserkollimatoren nach dem Stand der Technik nicht aufgenommen werden können. Damit wird eine verbesserte Güte der Wellenfront des am asphärischen Faserkollimator austretenden kollimierten Lichts bewirkt. Insbesondere wird eine geringere Abweichung von einer ebenen Wellenfront bewirkt, insbesondere werden Abweichungen höherer Ordnung korrespondierend zu Zernike - Polynomen einer höheren Ordnung, verringert.Advantageously, edge rays of the light emitted by the exit surface of the optical fiber are thereby received, which can not be absorbed due to the limited aperture of fiber collimators according to the prior art. This results in an improved quality of the wavefront of the collimated light emerging at the aspherical fiber collimator. In particular, a smaller deviation from a plane wavefront is effected, in particular, higher order deviations corresponding to Zernike polynomials of a higher order are reduced.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das rundoptische asphärische Element in einem asphärischen Faserkollimator, der für die Aufnahme von Licht aus einer optischen Faser mit einer numerischen Apertur von höchstens 0,15 vorgesehen ist, eine numerische Apertur von mindestens 0,5 auf. In vorteilhafter Weise ist bei dieser Ausführungsform die Aufnahme aller Randstrahlen durch den asphärischen Faserkollimator möglich, deren Strahlintensität mindestens 5 · 10-7% der zentralen Strahlintensität entlang der optischen Achse beträgt. Damit kann eine besonders ebene Wellenfront mit besonders geringen Abweichungen höherer Ordnung erzielt werden.In one embodiment of the invention, the round optical aspheric element in an aspherical fiber collimator intended to receive light from an optical fiber having a numerical aperture of at most 0.15 has a numerical aperture of at least 0.5. Advantageously, in this embodiment, it is possible to record all edge rays through the aspherical fiber collimator whose beam intensity is at least 5.times.10.sup.-7 % of the central beam intensity along the optical axis. Thus, a particularly flat wavefront can be achieved with particularly small deviations of higher order.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das rundoptische asphärische Element in einem asphärischen Faserkollimator eine numerische Apertur von mindestens 0,6 auf. In vorteilhafter Weise kann damit eine besonders ebene Wellenfront mit besonders geringen Abweichungen höherer Ordnung erzielt werden, wenn Licht aus optischen Fasern mit einer numerischen Apertur von höchstens 0,15 eingespeist wird.In one embodiment of the invention, the round optical aspherical element in an aspherical fiber collimator has a numerical aperture of at least 0.6. Advantageously, a particularly flat wavefront can be achieved with particularly small deviations of higher order, if light from optical fibers with a numerical aperture of at most 0.15 is fed in.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das asphärische rundoptische Element eine Brennweite von mindestens 20mm auf. In vorteilhafter Weise sind damit asphärische rundoptische Elemente verwendbar, die eine geringe Oberflächenkrümmung aufweisen und sich leicht und genau fertigen lassen.In one embodiment of the invention, the aspheric round optical element has a focal length of at least 20mm. In this way, aspheric round-optical elements can advantageously be used which have a low surface curvature and can be manufactured easily and accurately.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das rundoptische Element als plankonvexe oder bikonvexe asphärische Linse ausgebildet und für eine beugungsbegrenzte Fokussierung kollimierter Strahlen im Brennpunkt vorgesehen. Mittels derartiger Linsen mit mindestens einer asphärischen Fläche ist eine besonders hohe Kollimationswirkung für monochromatisches Licht erzielbar, sofern die Austrittsfläche der Faser korrekt in dem der Wellenlänge entsprechenden Abstand zur Planfläche der asphärischen Linse justiert ist.In one embodiment of the invention, the round-optical element is designed as a plano-convex or biconvex aspherical lens and provided for a diffraction-limited focusing of collimated rays in the focal point. By means of such lenses with at least one aspherical surface, a particularly high collimation effect for monochromatic light can be achieved, provided that the exit surface of the fiber is correctly adjusted in the distance corresponding to the wavelength to the plane surface of the aspherical lens.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der asphärische Faserkollimator justierbar ausgebildet. Dabei ist das fokussierende asphärische rundoptische Element in einer Fassung mit einem Feingewinde, das koaxial zur optischen Achse des rundoptischen Elements ein Feingewinde angeordnet ist, gefasst.In one embodiment of the invention, the aspherical fiber collimator is adjustable. In this case, the focusing aspherical round-optical element in a socket with a fine thread, which is arranged coaxially to the optical axis of the round-optical element a fine thread, taken.
Dabei ist ferner die Faseraufnahme hülsenförmig geformt und nimmt die Fassung konzentrisch auf. Die Faseraufnahme umfasst eine Faserkupplung zur Aufnahme der optischen Faser.In this case, furthermore, the fiber receptacle is sleeve-shaped and takes up the socket concentrically. The fiber receptacle comprises a fiber coupling for receiving the optical fiber.
Die Faserkupplung liegt dem rundoptischen Element entlang der optischen Achse gegenüber. Die hülsenförmige Faseraufnahme weist einen radial nach außen auskragenden Fixieranschlag auf.The fiber coupling lies opposite the round optical element along the optical axis. The sleeve-shaped fiber receptacle has a radially outwardly projecting fixing stop.
Die Faseraufnahme weist ferner eine Exzenteraufnahme zur drehbaren Aufnahme einer exzentrischen Fixierschraube im Hülsenmantel auf, wobei die Schraubenachse der Fixierschraube in radialer Richtung, also senkrecht zur optischen Achse, verläuft.The fiber receptacle also has an eccentric receptacle for rotatably receiving an eccentric fixing screw in the sleeve casing, wherein the screw axis of the fixing screw in the radial direction, that is perpendicular to the optical axis runs.
Auf der Innenseite des Hülsenmantels der Faseraufnahme ist ein Feingewinde angeordnet, das in das Feingewinde der Fassung eingreift und das eine Drehbewegung der Faseraufnahme relativ zur Fassung in eine Längsverschiebung der Faseraufnahme relativ zur Fassung umsetzt.On the inside of the sleeve sheath of the fiber receptacle, a fine thread is arranged, which engages in the fine thread of the socket and which converts a rotational movement of the fiber receptacle relative to the frame in a longitudinal displacement of the fiber receptacle relative to the socket.
Der Faserkollimator umfasst ferner eine Justageschale, die die Faseraufnahme ringförmig konzentrisch zur optischen Achse umschließt und die relativ zur Faseraufnahme drehbeweglich ist und zugleich relativ zur Fassung drehfest ist.The fiber collimator further comprises an adjustment tray, which surrounds the fiber receptacle annular concentric to the optical axis and which is rotatable relative to the fiber receptacle and at the same time is rotationally fixed relative to the socket.
Die Justageschale umfasst eine gegen die Fassung längsbewegliche, also koaxial zur optischen Achse bewegliche, Fixierhalbschale. Die Fixierhalbschale weist einen entlang eines Teils des Umfangs ausgenommenen Fixierschlitz zur Aufnahme des Schraubenkopfes der Fixierschraube auf. The adjustment tray comprises a longitudinally movable, so coaxial to the optical axis movable, fixing half-shell. The Fixierhalbschale has a recessed along one part of the circumference fixing slot for receiving the screw head of the fixing screw.
Aufgrund ihrer Exzentrizität bewirkt die Fixierschraube bei einer Drehung im Fixierschlitz eine Längsbewegung der Fixierhalbschale. Dabei ist die Justageschale in einer Fixierposition haftreibend gegen den Fixieranschlag gepresst und in einer Löseposition von diesem gelöst.Due to its eccentricity, the fixing screw causes a longitudinal movement of the Fixierhalbschale with a rotation in the fixing slot. In this case, the adjustment shell is pressed in a fixing position against the fixing stop adhesive and released in a release position of this.
Mittels der Faserkupplung wird eine koaxiale, zentrierte und verkippungsfreie Anordnung der Faseraustrittsfläche einer eingeführten optischen Faser erzielt. Durch Drehung der Faseraufnahme relativ zur Fassung wird bei gelöster Fixierschraube, vermittelt durch die Feingewinde der Fassung und der Faseraufnahme, der Abstand zwischen dem rundoptischen Element und der Faseraustrittsfläche verändert. Somit ist es durch einfache Drehung möglich, eine für die eingespeiste Wellenlänge optimale Position der Faseraustrittsfläche zu bestimmen und einzustellen. Ist eine solche Position gefunden, ist es durch Anziehen der Fixierschraube in die Fixierposition möglich, eine Haftreibung zwischen der Fixierhalbschale und dem auskragenden Fixieranschlag der Faseraufnahme zu erzeugen, die eine weitere Drehbewegung der Justageschale relativ zur Fassung verhindert. Da die Justageschale drehfest zur Fassung gekoppelt ist, ist somit auch eine Drehung und damit, über die Feingewinde der Fassung und der Faseraufnahme, eine Längsverschiebung zwischen der Faseraufnahme und der Fassung verhindert. Somit verbleibt die Faseraustrittsfläche an der einmal bestimmten optimalen Position entlang der optischen Achse.By means of the fiber coupling, a coaxial, centered and tilt-free arrangement of the fiber exit surface of an inserted optical fiber is achieved. By rotation of the fiber receptacle relative to the socket is dissolved in the fixing screw, mediated by the fine thread of the socket and the fiber receptacle, the distance between the round-optical element and the fiber exit surface changed. Thus, it is possible by simple rotation to determine and adjust an optimal for the injected wavelength position of the fiber exit surface. If such a position found, it is possible by tightening the fixing screw in the fixing position to generate a static friction between the Fixierhalbschale and the projecting fixing stop of the fiber receptacle, which prevents further rotational movement of the adjustment shell relative to the socket. Since the adjustment shell is rotatably coupled to the socket, thus a rotation and thus, over the fine thread of the socket and the fiber receptacle, a longitudinal displacement between the fiber receptacle and the socket prevented. Thus, the fiber exit surface remains at the optimal position once determined along the optical axis.
In vorteilhafter Weise wirkt dabei die Reibungskraft zur Fixierung in Längsrichtung zwischen der Fixierhalbschale und der Faseraufnahme. Da die Fixierhalbschale längsbeweglich zur Fassung ist, wird keine Kraft auf die Fassung übertragen. Somit wird vermieden, dass bei der Fixierung unter der Einwirkung einer Fixierkraft die Lage der Fassung mit dem gefassten rundoptischen Element verändert, beispielsweise dezentriert wird oder dass unter Einwirkung der Fixierkraft Spannungen im rundoptischen Element entstehen, die die optische Wirkung beeinflussen könnten.Advantageously, the frictional force for fixing in the longitudinal direction between the fixing half-shell and the fiber receptacle acts. Since the Fixierhalbschale is longitudinally movable to the socket, no force is transmitted to the socket. Thus, it is avoided that in the fixation under the action of a fixing force changes the position of the socket with the composite round optical element, for example, decentered or that under the influence of the fixing force tensions in the round optical element arise, which could affect the optical effect.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der justierbare asphärische Faserkollimator ferner ein Gehäuse, das die Faseraufnahme und die Justageschale umgibt. Das Gehäuse weist einen in Umfangsrichtung länglich ausgesparten Bediendurchgriff auf, durch welchen die Justageschale drehbar zugänglich ist. Das Gehäuse weist ferner eine Bohrung auf, die radial oberhalb der Exzenteraufnahme angeordnet ist und durch welche die Fixierschraube zugänglich ist. Das Gehäuse ist drehfest zur Faseraufnahme angeordnet. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Gehäuse eine komfortable Grifffläche bietet, die die Verdrehung der Justageschale erleichtert. Das Gehäuse erleichtert ferner die Handhabung des Faserkollimators und kann zudem staubdicht schließend ausgeführt sein.In one embodiment of the invention, the adjustable aspherical fiber collimator further includes a housing surrounding the fiber receptacle and the adjustment cup. The housing has a longitudinally recessed operating handle, through which the adjustment tray is rotatably accessible. The housing further has a bore which is arranged radially above the eccentric receiver and through which the fixing screw is accessible. The housing is rotatably arranged to the fiber intake. An advantage of this embodiment is that the housing provides a comfortable gripping surface, which facilitates the rotation of the adjustment tray. The housing further facilitates the handling of the fiber collimator and can also be performed dust-tight closing.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung überragt das Gehäuse ausgangsseitig das rundoptische Element, wobei im ausgangsseitigen Überstand ein Innengewinde angeordnet ist. An dem zum rundoptischen Element weisenden Ende des Innengewindes ist ferner ein Anschlag angeordnet. Das Innengewinde und der Anschlag sind so ausgebildet, dass ein gefasstes optisches Bauelement in einem Gehäuse mit einem komplementären Außengewinde und mit einem komplementären Anschlag justagefrei mit dem justierbaren Faserkollimator verschraubbar ist, wobei der Anschlag als Passfläche wirkt.In one embodiment of the invention, the housing projects beyond the round-optical element on the output side, wherein an internal thread is arranged in the output-side projection. At the pointing to the round optical element end of the internal thread a stop is also arranged. The internal thread and the stop are designed so that a captive optical component in a housing with a complementary external thread and with a complementary stop without adjustment screwed to the adjustable fiber collimator, the stopper acts as a mating surface.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass durch den festen Bezug des Anschlags des Faserkollimationsgehäuses zum Anschlag des Gehäuses eines weiteren optischen Bauelements dessen optische Achse zur optischen Achse des Faserkollimators zentriert und kollinear ausgerichtet wird. Somit besteht der einzige Freiheitsgrad bei der Ausrichtung des weiteren optischen Bauelements in der Anpassung des Abstandes zu dem rundoptischen Element entlang der optischen Achse, die leicht mittels Drehung der Justageschale bei gelöster Fixierschraube erfolgen kann. Diese Ausführungsform eignet sich daher besonders gut für den Aufbau zusammengesetzter Optiken. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das weitere optische Bauelement als Strahlaufweiter ausgebildet.An advantage of this embodiment is that the solid reference of the stop of the fiber collimator housing for abutment of the housing of another optical component whose optical axis is centered and aligned collinear to the optical axis of the fiber collimator. Thus, the only degree of freedom in the alignment of the further optical component is the adjustment of the distance to the round optical element along the optical axis, which can be done easily by rotation of the adjustment tray with the fixing screw loosened. This embodiment is therefore particularly suitable for the construction of composite optics. In a particularly preferred embodiment, the further optical component is designed as a beam expander.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Fassung und die Justageschale mittels mindestens eines Mitnehmers drehfest miteinander verbunden, wobei der Mitnehmer durch einen Radialschlitz im Mantel der Faseraufnahme geführt ist. Mit dieser Ausführungsform lässt sich ein großes Drehspiel, korrespondierend zu einem großen Verstellbereich für die Position der Faseraustrittsfläche längs der optischen Achse, bei einer ausreichenden statischen Festigkeit des Faserkollimators erzielen. Dieses Drehspiel wird durch die Länge des Radialschlitzes in Umfangsrichtung bestimmt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Radialschlitz über ein Viertel bis ein Drittel des Mantelumfangs der Faseraufnahme.In one embodiment of the invention, the socket and the adjustment shell are rotatably connected to each other by means of at least one driver, wherein the driver is guided by a radial slot in the jacket of the fiber receptacle. With this embodiment, a large rotational play, corresponding to a large adjustment range for the position of the fiber exit surface along the optical axis, can be achieved with a sufficient static strength of the fiber collimator. This rotational play is determined by the length of the radial slot in the circumferential direction. In a particularly preferred embodiment, the radial slot extends over a quarter to a third of the shell circumference of the fiber receptacle.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Justageschale eine Führungshalbschale, durch welche der mindestens eine Mitnehmer geführt wird. Die Führungshalbschale ist mittels eines Gleitlagers drehfest mit der Fixierhalbschale gekoppelt, wobei das Gleitlager ein Längsspiel zwischen der Fixierhalbschale und der Führungshalbschale entlang der optischen Achse aufweist.In one embodiment of the invention, the adjustment shell comprises a guide half-shell, through which the at least one driver is guided. The guide half shell is by means of a Sliding bearing rotatably coupled to the Fixierhalbschale, wherein the sliding bearing has a longitudinal clearance between the Fixierhalbschale and the guide half-shell along the optical axis.
Durch das Längsspiel des Gleitlagers ist es möglich, die Fixierhalbschale längs der optischen Achse zwischen der Löseposition und der Fixierposition zu bewegen, ohne diese Längsbewegung auf eine Längsbewegung der Führungshalbschale zu übertragen, die somit ortsfest relativ zur Fassung bleibt. Dadurch ist eine besonders einfache Kopplung zwischen der Führungshalbschale und der Fassung ermöglicht. In einer besonders bevorzugten Variante dieser Ausführungsform sind die Mitnehmer als Stifte oder Zapfen ausgebildet, deren radial innen liegendes Ende in einem Sackloch im Außenmantel der Fassung aufgenommen wird und deren radial außenliegendes Ende in einem Sackloch in der Innenfläche der Führungshalbschale aufgenommen wird.Due to the longitudinal play of the sliding bearing, it is possible to move the fixing half-shell along the optical axis between the release position and the fixing position, without transferring this longitudinal movement to a longitudinal movement of the guide half-shell, which thus remains stationary relative to the socket. This allows a particularly simple coupling between the guide half shell and the socket. In a particularly preferred variant of this embodiment, the drivers are designed as pins or pins whose radially inner end is received in a blind hole in the outer casing of the socket and whose radially outer end is received in a blind hole in the inner surface of the guide half-shell.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Sacklöcher zur Aufnahme jeweils eines Mitnehmers entlang eines Umfangs im Außenmantel der Fassung so angeordnet, dass bei jedem Drehwinkel der Fassung relativ zur Faseraufnahme der Radialschlitz jeweils eine Mehrzahl von Sacklöchern überdeckt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein Mitnehmer zur drehfesten Kopplung der Fassung mit der Führungshalbschale so in einem Sackloch angeordnet werden kann, dass ein großes, vorzugsweise symmetrisches Drehspiel erzielt wird, das zu einem großen Justage- oder Verstellbereich für eine Längsverschiebung der Fassung relativ zur Faseraufnahme korrespondiert.In one embodiment of the invention, a plurality of blind holes for receiving in each case a driver along a circumference in the outer jacket of the socket are arranged so that covers at each rotation angle of the socket relative to the fiber receiving the radial slot each having a plurality of blind holes. An advantage of this embodiment is that a driver for the rotationally fixed coupling of the socket with the guide half-shell can be arranged in a blind hole that a large, preferably symmetrical rotational play is achieved, the relative to a large Justage- or adjustment for longitudinal displacement of the socket corresponds to the fiber absorption.
Ein optisches System zur Erzeugung von entlang einer optischen Achse kollimiertem Licht umfasst einen erfindungsgemäßen asphärischen Faserkollimator. In der Faseraufnahme des asphärischen Faserkollimators ist eine optische Faser aufgenommen, deren numerische Apertur höchstens 0,25 beträgt. Das rundoptische Element des asphärischen Faserkollimators, das vorzugsweise als asphärische Linse ausgebildet ist, weist eine numerische Apertur von mindestens 0,6 auf.An optical system for generating light collimated along an optical axis comprises an aspherical fiber collimator according to the invention. In the fiber receptacle of the aspherical fiber collimator, an optical fiber is recorded whose numerical aperture is at most 0.25. The round optical element of the aspherical fiber collimator, which is preferably designed as an aspherical lens, has a numerical aperture of at least 0.6.
In vorteilhafter Weise ist ein solches System geeignet, Licht mittels aus dem Stand der Technik bekannter optischer Fasern einzukoppeln und austrittsseitig kollimiertes Licht mit einer Wellenfront sehr großer Güte für eine weitere optische Verarbeitung bereitzustellen. Insbesondere ist ein solches System mit optischen Fasern größerer numerischer Apertur herstellbar, wie sie im Bereich der optischen Nachrichtenübertragungstechnik zunehmend eingesetzt werden.Advantageously, such a system is suitable for coupling light by means of optical fibers known from the prior art and providing collimated light with a wavefront of very high quality for further optical processing on the exit side. In particular, such a system can be made with optical fibers of larger numerical aperture, as they are increasingly used in the field of optical communications technology.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing.
Darin zeigen:
-
1 schematisch einen asphärischen Faserkollimator nach dem Stand der Technik, -
2 und3 schematisch den Strahlengang in einem hochöffnenden asphärischen Faserkollimator, -
4 einen schematischen Längsschnitt durch einen justierbaren asphärischen Faserkollimator, -
5 eine schematische Draufsicht auf eine Faseraufnahme, umgeben von einer Justageschale, -
6 eine schematische Ansicht von unten auf einen justierbaren asphärischen Faserkollimator ohne Gehäuse, -
7 eine schematische Ansicht von oben auf einen justierbaren asphärischen Faserkollimator mit Gehäuse und -
8 eine schematische Ansicht von unten auf einen justierbaren asphärischen Faserkollimator mit Gehäuse.
-
1 1 schematically shows an aspherical fiber collimator according to the prior art, -
2 and3 schematically the beam path in a high-opening aspherical fiber collimator, -
4 a schematic longitudinal section through an adjustable aspherical fiber collimator, -
5 a schematic plan view of a fiber receptacle surrounded by an adjustment tray, -
6 a schematic view from below of an adjustable aspherical fiber collimator without housing, -
7 a schematic top view of an adjustable aspherical fiber collimator with housing and -
8th a schematic view from below of an adjustable aspherical fiber collimator with housing.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die optische Wirkung wird durch eine plankonvexe asphärische Linse
Die konvexe asphärische zweite Fläche 2.2 der asphärischen Linse
Wird in einen solchen asphärischen Faserkollimator
Eine perfekt ebene Wellenfront kann mit einem solchen asphärischen Faserkollimator
Diese Nachteile werden mit einem erfindungsgemäßen asphärischen Faserkollimator
Nimmt ein solcher asphärischer Faserkollimator
In vielen Anwendungsbereichen optischer Fasern, beispielsweise in der Telekommunikation, werden heute optische Fasern mit einer numerischen Apertur zwischen 0,12 bis 0,15 eingesetzt. Jedoch weisen optische Fasern mit einer größeren numerischen Apertur Vorteile auf, beispielsweise eine verkürzte Baulänge von optischen Anordnungen zur Einkopplung oder Auskopplung von Licht in die oder aus der optischen Faser. Die Verwendung derartiger optischer Fasern mit vergrößerter numerischer Apertur in Faserkollimatoren nach dem Stand der Technik führt zu einem im Verhältnis zum Aperturanstieg überproportional höheren Verlust an optischem Durchsatz und zu einer verminderten Güte der Wellenfront.In many applications of optical fibers, for example in telecommunications, today optical fibers are used with a numerical aperture between 0.12 to 0.15. However, optical fibers having a larger numerical aperture have advantages such as a shortened length of optical arrangements for coupling or decoupling light into or out of the optical fiber. The use of such optical fibers with increased numerical aperture in prior art fiber collimators results in a disproportionately higher loss of optical throughput relative to the aperture increase and a reduced wavefront quality.
Somit besteht ein weiterer Vorteil erfindungsgemäßer hochöffnender asphärischer Faserkollimatoren
Es ist bekannt, dass die Fokuslage einer Linse
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele eines asphärischen Faserkollimators
Die optische Wirkung wird durch eine asphärische Linse
Die asphärische Linse
An ihrem eintrittseitigen Ende weist die Fassung
Auf einem entlang der Längsausdehnung näherungsweise mittig angeordneten Umkreis sind in die äußere Mantelfläche
Die Fassung
An ihrem eintrittseitigen Ende weist die innere Mantelfläche
An ihrem eintrittseitigen Ende weist die Faseraufnahme
Auf einem Umfang sind in die hülsenförmige Faseraufnahme
Die Exzenteraufnahme
Durch Drehung der Fassung
In einfacher Weise kann eine solche Drehung mittels einer Justageschale
Die Justageschale
Wie in Figur
Wie besser sichtbar in
Die Fixierschraube
Der Fixierhalbschale
Vor der Montage der Justageschale
Vorzugsweise wird dazu ein Sackloch
Bei gelöster Fixierschraube
Für eine symmetrische Justierbarkeit um eine vorbestimmte Mittenwellenlänge ist es daher vorteilhaft, die Justierschale
Zur verbesserten Bedienbarkeit ist hülsenförmig um die Faseraufnahme
Nach einer bei der Montage des Faserkollimators
Mittels der ineinander greifenden Feingewinde
Dabei wird die zur Fixierung erforderliche Reibungskraft zwischen der Fixierhalbschale
Die zur Fixierung erforderliche Reibungskraft wird zwischen der Fixierhalbschale
Wie in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Faserkollimatorfiber collimator
- 1.11.1
- Eingangentrance
- 1.21.2
- Ausgangoutput
- 22
- Linselens
- 2.12.1
- Planflächeplane surface
- 33
- Fassungversion
- 3.13.1
- Linsenaufnahmelens holder
- 3.23.2
- Stirnflächeface
- 3.33.3
- äußere Mantelflächeouter jacket surface
- 3.43.4
- Fassungsfeingewinde, FeingewindeCupping thread, fine thread
- 3.53.5
- Sacklochblind
- 44
- Faseraufnahmefiber intake
- 4.14.1
- innere Mantelflächeinner jacket surface
- 4.24.2
- Aufnahmefeingewinde, FeingewindeReceptacle thread, fine thread
- 4.34.3
- Faserkupplungfiber coupling
- 4.3.14.3.1
- Aufnahmebuchsereceiving socket
- 4.3.24.3.2
- Faseranschlagfiber stop
- 4.54.5
- ExzenteraufnahmeExzenteraufnahme
- 4.5.14.5.1
- ExzenterinnengewindeExzenterinnengewinde
- 4.64.6
- FixieranschlagFixieranschlag
- 4.74.7
- Führungsnutguide
- 55
- Fixierschraubefixing screw
- 5.15.1
- SchraubenaußengewindeScrew external thread
- 5.25.2
- Schraubenkopfscrew head
- 66
- JustageschaleJustageschale
- 6.16.1
- FührungshalbschaleGuiding half-shell
- 6.1.16.1.1
- Stegweb
- 6.1.26.1.2
- Mitnehmertakeaway
- 6.26.2
- FixierhalbschaleFixierhalbschale
- 6.2.16.2.1
- Ausnehmungrecess
- 6.2.26.2.2
- Fixierschlitzfixing slot
- 6.2.36.2.3
- Innenkanteinner edge
- 6.36.3
- Abschlussringend ring
- 6.46.4
- Abschlussringend ring
- 77
- Gleitlagerbearings
- 7.17.1
- Stiftpen
- 88th
- Gehäusecasing
- 8.18.1
- BediendurchgriffOperating penetration
- 8.28.2
- Bohrungdrilling
- 8.38.3
- Innengewindeinner thread
- 8.48.4
- Gehäuseanschlag housing stop
- AA
- optische Achseoptical axis
- ASAS
- AustrittsstrahlenbündelExit radiation beam
- ESIT
- EintrittsstrahlenbündelInput beam
- FF
- Brennpunktfocus
- ff
- Brennweitefocal length
- DD
- LinsendurchmesserLens diameter
- αα
- Öffnungswinkelopening angle
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DE102017113954.0A DE102017113954B3 (en) | 2017-06-23 | 2017-06-23 | High-opening fiber collimator |
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-
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-
2018
- 2018-06-14 WO PCT/EP2018/065769 patent/WO2018234138A1/en active Application Filing
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Also Published As
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WO2018234138A1 (en) | 2018-12-27 |
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