-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kollimation, Rückkopplung
und Fokussierung in emittierenden und detektierenden aktiven und passiven
Systemen. Spezielle Anwendungen sind die Kollimation von Lichtquellen
(Lichtleitfasern, Lichtleiterbündel,
integrierte Wellenleiter, Bildleiter, Wellenleiterlaser, Faserlaser,
Faserbündellaser,
Laser mit Talbot-Resonatoren, Diodenlaser und Diodenlaser-Arrays),
die Rückkopplung
von Lasern (Wellenleiterlaser, Mikrolaser, Faserlaser, Faserbündellaser,
Laser mit Talbot-Resonatoren, Diodenlaser und Diodenlaser-Arrays),
die Rückkopplung
in aktiven und passiven faseroptischen Sensoren (Lichtleitfasern,
Lichtleiterbündel,
integrierte Wellenleiter, Bildleiter, Wellenleiterlaser, Faserlaser,
Faserbündellaser)
sowie die Detektion von Lichtverteilungen (Lichtsensorik mit Einzelfasern
und Bündeln
aus Sensorfasern, Bildsensorik mit lichtempfindlichen Detektorarrays,
wie z.B. CMOS oder CCD). Wegen der spezifischen Vorteile ist die
vorgeschlagene Anordnung für
Anwendungen in Umgebungen mit Vibrationen oder turbulenten Medien
sowie für
schnell bewegte und extrem miniaturisierte Systeme von besonderem
Interesse. Ferner lassen sich damit Anwendungen vorteilhaft realisieren,
bei denen ausgedehnte Zonen homogener Intensität benötigt werden.
-
Bekannt
sind unterschiedliche technische Lösungen zur Kombination mikrooptischer
Komponenten mit Fasern oder Laser-Arrays zum Zwecke der Einkopplung,
Kopplung oder Kollimation. Publiziert wurden Verfahren und Anordnungen
zur Herstellung separater oder auf Fasern integrierter sphärischer
und hyperbolischer Mikrolinsen und Mikrolinsen-Arrays unterschiedlicher
Randformen. Verfahren und Vorrichtung zur zerstörfreien Einkopplung von Laserstrahlung
in ein Faserbündel
durch Erzeugung einer Ebene weicher Fokussierung und Plazierung des
Faserbündels
in derselben wurden patentiert (K. P. Grace u.a.,
US 93-55348 ). Nachteilig sind dabei die
hohen Verluste durch Fehlanpassung (Füllfaktor). Die Einkopplung
von Laserdioden-Strahlung in Monomode-Fasern mittels hyperbolischer
Linsen wurde theoretisch untersucht (S. Gangopadhyay u.a., Opt. Commun.
132, 1996, 55–60).
Refraktive Mikrolinsen direkt am Faserende wurden durch Eintauchen
von mit Laserlicht durchstrahlten Fasern in Negativ-Fotoresist hergestellt
und zur Verringerung der Divergenz des emittierten Strahls verwendet
(P. D. Bear, Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., USA, Vol. 239,
1980, 98–103).
Zylindrische, ringförmige
und elliptische Mikrolinsen mit hyperbolischen Profilen wurden durch einen
Trocken-Resist-Prozeß auf Monomode-Fasern aufgebracht
(S. Babin u.a., J. Vac. Sci. Technol. B, Microelectron. Nanometer
Struct., USA, Vol.14, 1996, 4076–9). Mikrolinsen wurden in
Substrate gepreßt
(L. Klipper u.a.,
DE 4414552 ).
Neben sphärischen
Profilen können
mit dieser Methode auch spezielle nicht-sphärische Formen direkt an Faserenden erzielt
werden (parabolisch, hyperbolisch). Polyimid-Mikrolinsen-Arrays
zur Kollimation von oberflächen-emittierenden
Lasern mit aufrecht stehenden Resonatoren (VCSEL) wurden durch Fotoresisttechniken
hergestellt (O. Blum, CLEO '95,
Baltimore, USA, 1996, Techn. Digest Series Vol.8, 1995, 455). Selbstabbildung
arrayförmiger
Objekte bei kohärenter
Bestrahlung (Talbot-Effekt) kann zur Kopplung von Lasern mittels
Mikrolinsen ausgenutzt werden (J. R. Leger u.a.,
US 88-154898 ). Faserlinsen mit sphärischen
oder hyperbolischen Profilen zur Kollimation von Laserdioden lassen
sich durch Ziehen von Preforms erzeugen (J. J. Snyder u.a.,
US 90-591462 ). Mittels
Mikrobearbeitung durch Präzisionsschleifen sind
einzelne, senkrecht stehende Mikrolinsen zur Kollimation von Fasern
hergestellt worden (C. R. King u.a., CLEO '96, Anaheim, USA, 1996, Techn. Digest
Series Vol.9, 1996, 459–60).
Derartige Verfahren sind recht aufwendig. Mit der mehrstufigen LIGA-Technik
wurden sphärische
Mikrolinsen gefertigt, die einzeln vor Bildleiter geklebt wurden
(J. Göttert u.a.,
Microlens Arrays, EOS Topical Meeting, NPL Teddington 1995, Digest,
21–5).
Mikrolinsen-Arrays in Kombination mit Halbleiter-Bildsensoren, z.B.
für Scanner,
arbeiten bisher mit sphärischen
oder parabolischen Mikrolinsen, um hohe Auflösung zu erzielen (C. van Berkel
u.a., Pure Appl. Opt. 3, 1994, 177–82). Mit abgeflacht hyperbolischen
Elementen, sogenannten Winston-Kollektoren (Laser Focus World, Mai
1991, 53–6)
werden mikrooptische Arrays in der Bildsensorik eingesetzt, um höhere Füllfaktoren
zu erreichen. Derartige Komponenten eignen sich ausschließlich zur
schwachen Lichtkonzentration vor den einzelnen Pixels von Sensor-Arrays, nicht jedoch
zur Kollimation für
Freiraumkopplung und nicht zur Fokussierung. Nachteilig bei allen
bekannten Anordnungen mit sphärischen,
parabolischen oder hyperbolischen Mikrolinsen sind die starke Winkelabhängigkeit
und geringe Toleranz gegen axiale Dejustierung, was bei Systemen
in realen industriellen Umgebungen, z.B. mit Vibration oder Temperaturschwankungen,
zu erheblichen Fehlern führen
kann.
-
Bekannt
sind asphärische
Mikrolinsen, die in Resisttechnik produziert wurden, und für bestimmte Einfallswinkel
optimiert sind (C. D. Carey u.a., Microlens Arrays, EOS Topical
Meeting, NPL Teddington 1993, Digest, 65–8). Sie sind jedoch nicht
bezüglich dieser
Winkeländerungen
tolerant.
-
Ausgedehnte
Fokuszonen, insbesondere sogenannte diffraktionsfreie Besselstrahlen
und Bessel-Gauß-Strahlen,
lassen sich mit speziell geformten Optiken (Axicons) erzeugen (J.
H. McLeod, J. Opt. Soc. Am. 44, 1954, 592–7). Soche Optiken finden Anwendung
u.a. im Zusammenhang mit speziellen Teleskop- und Projektoranordnungen,
mit Autokollimation, bei Streulichtmessungen, bei nichtlinear-optischen
Wechselwirkungen wie der Cerenkov-SHG in optischen Kristallen (M.
K. Pandit u.a., Optical and Quantum Electronics 29, 1997, 35–51) oder
Multiphotonenprozessen. Ein weiteres potentielles Anwendungsgebiet
für speziell
geformte Foki ist die Materialbearbeitung (Bohren ausgedehnter Löcher). Makroskopische
refraktive und diffraktive Varianten von Axicons sind bekannt. Diffraktionsfreie Strahlen
lassen sich mit holografisch-optischen Elementen generieren (J.
Turunen u.a., Appl. Opt. 19, 1988, 3959–62). Es ist jedoch sehr kompliziert
und aufwendig, sie mit der erforderlichen Genauigkeit zu designen
und herzustellen. Makroskopische refraktive monolithische Einzel-Komponenten
zur Formung diffraktionsfreier Strahlen weisen zumeist komplizierte
Formen auf (K. Thewes u.a., Opt. Laser Technol. 23, 1991, 105–8). Werden
sie aus mehreren Teilen zusammengesetzt (K.M. Iftekharuddin u.a.,
Appl. Opt. 32, 1993, 2252–6),
erhöhen
sich die Zahl reflektierender Teilflächen und damit die optischen
Verluste. Die Herstellung von Arrays mikro-miniaturisierter Elemente
vergleichbarer Struktur mit klassischen Verfahren der Linsenfertigung
(z.B. Schleifen) ist bearbeitungstechnisch problematisch.
-
Grundsätzlich lassen
sich Mikrolinsen mit starken Abweichungen von der sphärischen
Form mit unterschiedlichen, etwa den oben mitgenannten Technologien
realisieren. Jedoch beeinflußt
auch die Herstellungstechnologie bestimmte Eigenschaften der Mikrolinsen.
GRIN-Linsen mit nahezu gaußförmigen Phasenprofilen
können
durch Ionenaustausch in Gläsern
erzeugt werden (J. Bähr
u.a., Microlens Arrays, EOS Topical Meeting, NPL Teddington 1995, Digest,
121–4;
M. Testorf u.a., Appl. Opt. 28. 1995, 6431–7). Die Prozeßoptimierung
ist jedoch aufwendig. Eher ringförmige
Phasenprofile treten unter bestimmten Bedingungen bei der Herstellung
von Resistlinsen mit Schmelzprozessen auf (M. u. S. Kufner, Micro-Optics
and Lithography, VUBPRESS, Brüssel 1997,
118.
-
Eine
Alternative zu den bisher genannten Herstellungstechnologien stellen
Dünnschicht-Technologien dar,
die eine Strukturierung in Kombination mit Resistverfahren (J. Jahns
u.a., Appl. Opt. 29, 1990, 931–936;
E. Pawlowski u.a., Opt. Eng. 33, 1994, 647–52) oder Deposition mit abschattenden Masken
erreichen (Sputtern mit verteilter Quelle zur Herstellung einzelner
Luneburg-Linsen: S. K. Yao, Apl. Phys. Lett. 33, 1978, 307–9; Vakuumbedampfung
mit Elektronenstrahlverdampfer als Punktquelle im rotierenden System
zur Herstellung von dickenmodulierten makroskopischen Einzelkomponenten: R.
Grunwald u.a., DD C 23 C 14 /332 071 5). Vakuumbedampfung mit Lochmaskenabschattung
wurde ferner zur Herstellung von refraktiv-reflektiven Mikrolinsen-Arrays
benutzt (R. Grunwald u.a., SPIE Vol. 1983, 1993, 49–50). Durch
gekreuztes Aufdampfen mit Schlitzmaskenabschattung lassen sich anamorphotische
Dünnschicht-Mikrolinsen
in matrixförmiger Anordnung
(Array) mit hohem Füllfaktor
fertigen (R. Grunwald u.a., Patentanmeldung
DE 19613745.4 , 1996). Die Dünnschicht-Technologie
weist insbesondere Vorteile für
Mikrolinsen mit geringen Querabmessungen auf, eine vergleichsweise
einfache Herstellbarkeit auch in Einschrittverfahren, kompakte Bauweise
beispielsweise durch direktes Ausbringen auf Fasern oder Wellenleitern,
die Möglichkeit
der Integration zusätzlicher
spektraler Eigenschaften durch Benutzung von Mehrschichtsystemen,
Flexibilität
bei Ausbringen auf biegsamen Substraten (z.B. Polymerfolien: R.
Grunwald u.a., Micro System Technologies, VDE-Verlag GmbH, Berlin
1996, 793–795)
sowie eine große
Vielfalt realisierbarer Phasenfunktionen inklusive nicht-sphärischer
Profile. Refraktive, diffraktive und hybride Varianten können damit
hergestellt werden.
-
Ziel
der Erfindung ist eine geeignete Anordnung für Kollimation, Rückkopplung
und räumlich
selektive Detektion in optischen, insbesondere mikrooptischen Systemen
mit einzelnen oder matrixförmig angeordneten
optischen Fasern, Emittern oder Sensoren mit einer verbesserten
Stabilität,
insbesondere einer erhöhten
Toleranz gegenüber
Verkippung und Axialposition, bei möglichst kompaktem Aufbau oder solchen
mikrooptischen Systemen, bei denen ausgedehnte Zonen homogener Intensität benötigt werden oder
definiert oszillierende axiale oder räumliche Intensitätsverteilungen.
-
Dieses
Ziel wird erreicht durch die Anordnung einer stark nichtsphärischen
Mikrolinse (3) vor der Fläche, die in zu fördernder
Weise Licht ausstrahlt oder empfangen soll, bzw. vor dem Fenster, durch
das Licht in zu fördernder
Weise austritt bzw. eintreten soll (2). Insbesondere kann
es sich hierbei um einen Lichtwellenleiter oder ein optisch aktives Element,
beispielsweise eine optisch verstärkende Faser, handeln (1),
oder um die lichtempfindliche Fläche
eines photoelektronischen Wandlers, beispielsweise eines Halbleitersensors,
oder um die matrixförmige
Anordnung (Array) mehrerer entsprechender Mikrolinsen und Licht
ausstrahlender oder empfangender Flächen oder Lichtdurchtrittsfenster,
beispielsweise die lichtempfindliche Matrix (9) eines Halbleitersensors.
Dabei zeichnet sich die Phasengeometrie der einzelnen Mikrolinsen
durch eine mindestens zweifach unterteilte Kontur aus. Die Teilbereiche
besitzen einen zueinander unterschiedlichen Krümmungsverlauf, der axiale Symmetrie,
beispielsweise Rotationssymmetrie, elliptische Symmetrie, polygonale
Symmetrie, oder Spiegelsymmetrie aufweisen kann, wobei die Spiegelebene
so liegt, daß ihre
Flächennormale
im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts steht
(Die Erfindung ermöglicht
große
Toleranzen der Abweichung von dieser Senkrechten). Insbesondere
kann die Phasengeometrie in einem inneren Bereich eine konvexe und
in einem äußeren Bereich
eine konkave Krümmung
(4) oder umgekehrt aufweisen,
oder in einem inneren und einem äußeren Bereich
durch jeweils einen Kegelschnitt unterschiedlicher Parameter beschreibbar
sein (5).
-
Das
Wirkprinzip der beschriebenen nicht-sphärischen Mikrolinsen besteht
darin, daß entweder
eine einfallende ebene Lichtwelle in einem relativ ausgedehnten
Bereich längs
der optischen Achse konzentriert wird, oder umgekehrt Licht aus
einem relativ ausgedehnten Bereich längs der optischen Achse in
dieselbe Zone geringer Raumwinkeldivergenz abgebildet wird, und
zwar in beiden Fällen
auch dann, wenn die Linsenachse gegenüber der optischen Achse verkippt
wird. Durch das örtlich
definierte Aufbringen zusätzlicher
optisch wirksamer Einzel- oder Mehrfachschichten bzw. Mehrschichtsysteme kann
eine spektrale Abhängigkeit
der räumlichen Verteilungsfunktion
der Lichtkopplung beeinflußt oder
gezielt hervorgerufen werden. Räumlich
spektrale Übertragungsfunktio nen
lassen sich auch durch diffraktive Strukturen, die auf den Mikrolinsen
aufgebracht werden, hervorrufen oder modifizieren.
-
Für die Herstellung
der erfindungsgemäßen nicht-sphärischen
Mikrolinsen erweisen sich Dünnschicht-Technologien
als besonders vorteilhaft, da sie in einem Verfahren unterschiedliche
Schichtaufbauten zulassen, sich ohne wesentlichen zusätzlichen
Aufwand matrixförmige
Anordnungen realisieren lassen, eine große Vielfalt von Phasengeometrien
erzeugt werden kann, sie mit anderen Herstellungsverfahren kombinierbar
sind. In Dünnschicht-Technologie
gefertigte Mikrolinsen sind in der Regel fest oder auch ablösbar auf
einem Substrat (4) aufgebracht, das seinerseits vorteilhaft
zur Linsenhalterung dient oder spezielle optische Eigenschaften
aufweisen kann.
-
Es
besteht auch die Möglichkeit,
die erfindungsgemäßen Mikrolinsen
mit nicht-sphärischen Phasengeometrien
durch diffraktive Strukturen zu erstellen oder durch Aufbringen
zusätzlicher
diffraktiver Strukturen auf Mikrolinsen zu modifizieren.
-
Erfindungsgemäße Varianten
der Anordnung ergeben sich einerseits durch die Distanz zwischen der
beschriebenen nicht-sphärischen
Mikrolinse zu der Fläche,
die in zu fördernder
Weise Licht ausstrahlt oder empfangen soll, bzw. zu dem Fenster, durch
das Licht in zu fördernder
Weise austritt bzw. eintreten soll (2), oder deren jeweiliger
matrixförmiger Mehrfachanordnung,
anderseits durch den Charakter dieser Flächen oder Fenster hinsichtlich
der Wirkungsrichtung des Lichts.
-
In
der ersten Variante werden eine beschriebene nicht-sphärischen
Mikrolinse (3) einzeln oder mehrere derer matrixförmig angeordnet
zu der Fläche,
die in zu fördernder
Weise Licht ausstrahlt oder empfangen soll, bzw. zu dem Fenster,
durch das Licht in zu fördernder
Weise austritt bzw. eintreten soll (2), oder eine matrixförmige Anordnung
mehrerer derer in einem Abstand zueinander positioniert, der der
Distanz eines lokalen Maximums der axialen Lichtverteilung vom Linsenscheitel
entspricht, die sich bei der Fokussierung einer ebenen Welle mit dieser
Mikrolinse ausbildet.
-
Handelt
es sich zugleich um die emittierenden Endflächen von Lichtwellenleitern,
integrierten Lichtwellenleitern, Mikrolasern außerhalb des Resonators oder ähnliche
Lichtquellen, so läßt sich
diese Anordnung vorteilhaft als Kollimator einsetzen oder in solchen
optischen oder integriert-optischen Systemen, die Lichtkollimation
verwenden, beispielsweise in der Meß- und Sicherheitstechnik,
bei der Bildübertragung,
als Freiraum koppler, Faser-in-Faser-Koppler, Integiriert-Optik-in-Faser-Koppler,
speziell bei Einmoden-Lichtwellenleitern.
-
Handelt
es sich umgekehrt um Licht aufnehmende Endflächen von Lichtwellenleitern,
integrierten Lichtwellenleitern, optischen Verstärkerelementen, oder lichtempfindlichen
Sensorelementen, insbesondere auch in matrixförmiger Anordnung (9),
so eignet sich diese Anordnung insbesondere für Senoren mit großer Arbeitsdistanz,
entsprechend kleinem Akzenptanzwinkel bzw. hoher Raumwinkelauflösung, speziell
in der Spektroskopie, Bildübertragung
und -sensorik, in Lidar-Anwendungen, in der Meß- und Sicherheitstechnik.
-
Handelt
es sich dagegen bei der angeordneten Flächen bzw. dem Fenstern um sowohl
um ein Licht abgebendes als auch aufnehmendes Element, beispielsweise
die Endfläche
eines optischen bzw. mikrooptischen Verstärkerelements, speziell eines Lasers
bzw. Mikrolasers, so läßt sich
die erfindungsgemäße Anordnung
vorteilhaft innerhalb des Resonators für die Rückkopplung (7) durch
einen Rückkoppelspiegel
(6) einsetzen (2).
Das gilt insbesondere auch für
den Fall, daß es
sich um eine matrixförmige
Anordnung mehrerer derartiger Verstärkerelemente handelt. Durch
die Kollimationsstrecke (5) wird ein freier Raum geschaffen
für die
Anordnung optisch wirksamer Elementen wie SHG, Q-switch, Umlenk-
und Teilereinrichtungen (Mikroprismen). In Variation kann die Oberfläche der
Mikrolinse selbst mit einer spiegelnden und bzw. oder spektral selektierenden
Beschichtung versehen werden und als Resonatorspiegel dienen.
-
In
der zweiten Grundvariante werden eine beschriebene nicht-sphärischen
Mikrolinse einzeln oder mehrere derer matrixförmig angeordnet direkt auf
der Fläche,
die in zu fördernder
Weise Licht ausstrahlt oder empfangen soll, bzw. vor dem Fenster, durch
das Licht in zu fördernder
Weise austritt bzw. eintreten soll, oder eine jeweils matrixförmige Anordnung
derselben, positioniert. In Abhängigkeit
von der Phasengeometrie und Linsendicke können unterschiedliche räumliche
Verteilungsfunktionen der Lichtkopplung erreicht werden, insbesondere
auch axial oder räumlich
oszillierende Intensitätsverteilungen.
-
Handelt
es sich zugleich um die emittierenden Endflächen von Lichtwellenleitern,
integrierten Lichtwellenleitern, Lasern oder Mikrolasern außerhalb
des Resonators oder andere Lichtquellen, bzw. um eine matrixförmige Anordnung
mehrerer derselben, so kann mit Hilfe der Anordnung eine räumliche Intensitätsverteilung
erreicht werden, die sich beispielsweise durch oszillierende oder
längs einer
Achse ausgedehnte Zonen hoher Intensität auszeichnet. Anwendungen
ergeben sich beispielsweise in der Meß- und Sicherheitstechnik,
in der Spektroskopie.
-
Handelt
es sich dagegen um die Licht aufnehmende Endfläche eines Lichtwellenleiters,
integrierten Lichtwellenleiters, die lichtempfindlichen Fläche eines
Sensorelements, bzw. um eine matrixförmige Anordnung mehrerer derselben,
so kann mit Hilfe der Anordnung eine räumliche Empfindlichkeitsverteilung
erreicht werden, die sich beispielsweise durch oszillierende oder
längs einer
Achse ausgedehnte Zonen hoher Empfindlichkeit auszeichnet. Anwendungen
ergeben sich beispielsweise in der Meß- und Sicherheitstechnik,
in der Spektroskopie, in besonderer Weise für die Bildsensorik.
-
Die
Erfindung soll nachstehend an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen
-
1 eine ausgeführte Einzelanordnung
in der Funktion als Kollimator,
-
2 eine ausgeführte Einzelanordnung
in der Funktion innerhalb eines Laserresonators,
-
3 eine ausgeführte Matrixanordnung
in der Funktion als Bildsensor,
-
4 und 5 je ein Ausführungsbeispiel für das Phasenprofil
der eingesetzten Mikrolinsen.
-
Das
erste Ausführungsbeispiel
(1) betrifft eine erfindungsgemäß ausgebildete
einfache Anordnung zur Kollimation der Ausgangsstrahlung einer Faser.
Die Strahlung einer Laserdiode (635 nm) wird in eine Monomode-LWL-Faser
(1) eingekoppelt. Hinter dem Faserende (2) wird
eine nicht-sphärische Mikrolinse
(3) positioniert (Linsenscheitel zum Faserende), deren
Entfernung zum Faserende geäridert werden
kann. Als Mikrolinse dient eine dünne, durch Vakuumbedampfung
mit Maskenabschattung im rotierenden System hergestellte SiO2-Schicht auf einem Polycarbonat-Substrat
(4), deren Phasenverteilung als Funktion der radialen Koordinate
r durch ein Gaußprofil
beschrieben wird. In 4 ist
die relative Dickenverteilung h/hmax aufgetragen,
wobei h die Schichtdicke kennzeichnet. Die maximale absolute Dicke
beträgt
ca. 4,5 μm.
In Abhängigkeit
vom Abstand Faser-Linse sowie von der numerischen Apertur der Faser
kommt es zu Anpassungsproblemen. Nur im Nahbereich wird die Linse
von der Strahlung vollständig
durchsetzt. Die radiale Aufweitung Δd in Abhängigkeit von der axialen Position
z und dem Halbwinkel der Abstrahlungskeule θ1/2 ergibt
sich zu: Δd(z)
= z tan θ1/2
-
Der
Strahldurchmesser d in der Entfernung z beträgt: d(z)
= dKern + 2Δd(dKern =
Kerndurchmesser der Faser). Für
den Akzeptanzwinkel θ1/2 gilt ferner: θ1/2 = arcsin(NA/n)(NA = numerische Apertur
der Faser, n = Brechungsindex des Faserkerns).
-
Damit
erhält
man für
einen gegebenen Linsendurchmesser dL die
minimal mögliche
Distanz zmin für Einzellinsen-Durchsatz: zmin = Δd/tan θ1/2 = [dL – dKern]/[2tan[arcsin(NA/n)]
-
Für f > zmin kommt
es zur Verringerung der Effizienz durch rein geometrische Verluste
und bei Arrays zur Durchstrahlung mehrerer Mikrolinsen im Array
(mehrere kollimierte Teilstrahlen). Für die verwendete Mikrolinse
existiert bei Fokussierung einer ebenen Welle anstelle des bei sphärischen
Mikrolinsen auftretenden Fokus geringer Fokustiefe ein vergleichsweise
ausgedehnter, oszillierender Bereich hoher Intensität in Axialrichtung.
In der vorliegenden Anordnung wird die beste Kollimation, d.h. die
geringste Divergenz, bei einer derartigen Wahl des Abstandes Faser-Linse
erreicht, daß sich
das Faserende bei Umkehr der Strahlrichtung in der genannten Zone
befände.
Die Ausdehnung des Bereiches optimaler Kollimation vergrößert sich
gegenüber
sphärischen
Mikrolinsen gleichen Durchmessers und annähernd gleicher Brennweite um
ca. einen Faktor 2 und beträgt
mehrere mm (Halbwertsbreite). Die Toleranz gegenüber Verkippung bezüglich der
Achse verbessert sich ebenfalls drastisch. Gegenüber einer vergleichbaren sphärischen
Mikrolinse, bei der eine signifikante Abweichung von der Kreisform
des kollimierten Strahls bereits bei einem Kippwinkel von 10° auftritt,
kann die Mikrolinse mit Gaußprofil
bis zu mehr als 20° Verkippung
tolerieren. Die Anordnung ist somit wesentlich robuster als Anordnungen
mit sphärischen
Mikrolinsen. Die erreichte Divergenz (halber Divergenzwinkel) beträgt ca. 1
mrad bei einem Abstand von 2,25 mm zwischen Faserende und Linsenscheitel.
-
Das
zweite Ausführungsbeispiel
beschreibt als eine weitere erfindungsgemäße Anordnung die Rückkopplung
in einem Laserresonator (2).
Die aus einem aktiven (seltenerdendotierten) Wellenleiterlasermedium
(1) an dessen Facette (2) austretende Strahlung
wird zunächst
mit Hilfe einer auf einem Quarz-Substrat (4) aufgedampften
Dünnschicht-Mikrolinse
(3) kollimiert (5) (in Variation des Ausführungsbeispiels 1)
und ein definierter Teil dieser Strahlung nach Reflexion am teildurchlässigen Auskoppelspiegel
(6) reflektiert. Dabei wird die Linsenanordnung nochmals
in umgekehrter Richtung (7) durchlaufen und fokussiert,
wodurch sie wieder in das Lasermedium eingekoppelt wird. Durch Veränderung des
Abstandes zwischen Laserfacette (2) und Mikrolinse (3)
kann der Rückkoppelgrad
zusätzlich
beeinflußt
(und im Falle eines Lasers mit Array-Geometrie auch die Kopplung mit Nachbarn
eingestellt) werden. Als Mikrolinse wird die im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene
und in 4 dargestellte
Variante mit Gaußprofil
verwendet. Die Anordnung ist gegenüber einer vergleichbaren Anordnung
mit sphärischer
Mikrolinse wesentlich toleranter gegenüber axialer Translation und
Verkippung und entspricht diesbezüglich der in Ausführungsbeispiel
1 beschriebenen Variante. Die wegen der Axialtoleranz und der ausgedehnten
Fokuszone erreichbare große
Distanz zwischen Mikrolinse und Laserfacette gestattet das Einbringen
zusätzlicher
optischer bzw. nichtlinear optischer Elemente in diesem Bereich
hoher Intensität (z.B.
SHG-Kristalle und Güteschalter,
nicht eingezeichnet). In einer erfindungsgemäßen Variante wird das Phasenprofil
der Mikrolinse zusätzlich
durch eine Multilayer-Beschichtung mit radial variabler Dicke des
Schichtsystems modifiziert.
-
Das
dritte Ausführungsbeispiel
(3) beinhaltet einen
Bildsensor, bestehend aus einer lichtempfindlichen Matrix (9)
und einem vorgeschalteten Array aus nicht-sphärischen SiO2-Dünnschicht-Mikrolinsen
(3), die auf einem dünnen
transmittierenden, breitbandig entspiegelten Substrat aufgebracht sind.
Verwendung findet ein spezielles Linsenprofil mit zwei unterschiedlichen
parabolischen Anteilen (5).
Die Mikrolinsen sind orthogonal angeordnet und von quadratischem
Umriß.
Der Füllfaktor
ist nahezu 1. Die Linsen konzentrieren das aus dem Unendlichen nahezu
parallel einfallende Licht (8) in tief ausgedehnte Bereiche.
Die Anordnung ist gegenüber einer
vergleichbaren Anordnung mit sphärischen
Mikrolinsen (analog zu den in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 beschriebenen
charakteristischen Eigenschaften) toleranter gegenüber axialer
Dejustierung und Verkippung. Die Ausdehnung der Fokuszone ist im
Vergleich zu Mikrolinsen mit Gaußprofil entsprechend 4 wesentlich größer.