DE2247363A1 - Strahlteiler - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Strahlteiler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlteiler zur Erzeugung zweier paralleler Strahlenbündel, insbesondere' für Laser-Doppler-Anemometer,mittels Prismen.

Bei Beleuchtungssystemen für Laser-Doppler-Anemometer werden Strahlteiler der genannten Art zur Beleuchtung des Messvolumens benötigt, an die folgende Anforderungen gestellt werden: Die den StrahlteHer verlassenden Lichtbündel müssen bis auf wenige Winkelsekunden parallel zueinander und die Winkelhalbierende bzw. Mittelparallele soll mit dem auf den Strahlteiler auftreffenden Laserlicht übereinstimmen. Das Licht muss zudem gleiche Weglängen im Beleuchtungssystem zurücklegen.

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Sind diese Bedingungen nicht oder nur zum Teil erfüllt, so erniedrigt sich die Messgenauigkeit und das Auflösungsvermögen des Messsystems entscheidend.

Es ist nun ein Strahlteiler der vorgenannten Art bekannt geworden, bei dem die vorgenannten Anforderungen - zumindest von seiner Konzeption her gesehen - nahezu erfüllt werden (Proc. Roy. Soc. London A. 324, 157 - l8l (1971), insbesondere Fig. 4b). Dieser Strahlteiler besteht aus zwei trapezähnlichen Prismen, deren Basisfl·· -o senkrecht zum einfallenden Laserlicht angeordnet sind. Das eine Prisma weist eine Einkerbung auf, in die das keilförmige Ende des zweiten Prismas eingepasst 1st.

Dieser bekannte Strahlteiler weist jedoch den Nachteil auf, dass er sich praktisch nicht mit der für Beleuchtungs^systeme für Laser-Doppler-Anemometer erforderlichen Genauigkeit herstellen lässt. Das gilt insbesondere für die Berührungsflächen im Bereich der Einkerbung. Die dort zwangsläufig auftretenden Fertigungstoleranzen führen zu nicht vertrete , baren Parallelitätsfehlern und windschiefe zwischen den den Strahlteiler verlassenden Lichtbündeln. Parallelit||f-= fehler vermindern die Messgenauigkeit bei Mehrkomponenten-

Messungen, windschiefe vermindert das Signal-Rauschverhältnis des Dopplersignals.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Strahlteiler zu schaffen, der die Nachteile bekannter Strahlteileranordnungen nicht aufweist und der die Erzeugung exakt paralleler und nicht windschiefer Strahlenbündel ermöglicht und sich zudem wirtschaftlich herstellen lässt.

Diese Aufgabe wird bei einem Strahlteiler der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein erstes Parallelogramm-Prisma mit einem Basiswinkel οώ vorgesehen ist, dessen eine Seltenfläche orthogonal zur Einfallsrichtung des auf den Strahl teiler auf treffenden Lichtbündels

liegt, dass auf die der genannten Seitenfläche.benachbarte und mit ihr den genannten winkel oc einschliessenden Basisfläche des ersten Parallelogramm-Prismas ein unter dem Winkel l8o°- 2c*. abgeschnittenes zweites Parallelogrammprisma mit dieser Schnittfläche gesetzt 1st.

Ein derart ausgebildeter Strahlteiler lässt sich mit einfachsten Mitteln herstellen. Dabei wird von zwei identischen Parallelogramm-Prismen geeigneter Dicke ausgegangen» Nach der Herstellung der Abschrägung werden diese beiden Prismen miteinander verklebt. Der Abstand der den Strahl- ■ teiler verlassenden Strahlenbündel ist ' . > -

unabhängig von der Eintrittsstelle des einfallenden Laser--

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lichtes. Er wird durch die Dicke des Parallelogramm-Prismas bestimmt. Darüber hinaus liegen die beiden den Strahlte Her verlassenden Strahlenbündel symmetrisch ijur Binf,ausrichtung des Laserlichtes, Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der gesamte Strahlteiler zur Erfassung von verschiedenen, senkrecht zur Beleuchtungsrichtung gelegenen Geschwindigkeitskomponenten eines Strömungsfeldes um die durch die Einfallsrichtung des Laserlichtes gegebene Achse gedreht werden muss.

Um gleiche Weglängen des Lichtes Innerhalb des Strahltei-

beC qCecciter (Mcicc de**Prismen, lers zu erreichen, muss/der Abstand der der Schnittfläche gegenüberliegenden Seitenfläche des zweiten Parallelogramm-Prismas von der durch die genannte eine Seitenfläche des ersten Parallelogramm-Prismas bestimmten Ebene gleich sein dem Abstand der der genannten einen Seitenfläche gegenüberliegenden anderen Seitenfläche des ersten Parallelogramm-Prismas von der genannten Ebene.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in dtr Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbelspiels eines erfindungsgemässen Strahltellers näher erläutert*

Der Strahlteller besteht aus zwei Parallelogramm-Priemen ι und 2 mit gleichen Basiswinkeln* bzw. l8o° - Ot .

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von denen das eine durch Abschneiden einer Ecke den Querschnitt eines ungleichschenkligen Trapez hat. Das Parallelogramm-Prisma 1 hat den Basiswinkel οώ . Das Prisma 2 ist unter einem Winkel Von l8o°- 2oi. abgeschnitten. Die Schnittfläche ist mit 5 bezeichnet. Das Prisma 2 ist mit dieser Schnittfläche auf die Basisfläche 4 des Prismas 1 geklebt. Das einfallende Lichtbüridel 5 teilt sich an dieser Schnittfläche in zwei Teilstrahlenbündel 6 und 7 auf. Das Bündel 6 tritt nach zweimaliger Reflexion an den beiden zu 100 % verspiegelten Basisflächen 8 und 9 des Prismas 2 aus dem Strahlteiler aus. Das Bündel 7 wird an der zu 100 % verspiegelten anderen Basisfläche 10 des Prismas 1 reflektiert und tritt ebenfalls aus dem Strahlteiler aus.

Der Abstand der beiden Teilstrahlenbündel 6 bzw. 7 ist nur von der Dicke der prismen, d.h. Höhe des Parallelogramms bzw. des Trapez abhängig, nicht von der Stelle, auf die das einfallende Lichtbündel 4 auftrifft.

Um gleiche Weglängen für beide Teilstrahlenbündel 6 und 7 innerhalb des Strahlteilers zu erreichen, müssen die Abstände e, und e₂ (bei gleicher Dicke der Prismen) gleich sein. Bei ungleicher Dicke der Prismen lassen sich jedoch

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gleiche Weglängen auch durch unterschiedliche Abstände e. und e₂ erreichen, was sich leicht geometrisch beweisen lässt.

Für manche Anwendungen des Strahltellers, z.B. in Laser-Doppler-Anemometern, werden Beleuchtungsbündel mit einem bestimmten Intensitatsverhältnis benötigt. Ohne zusätzliche Verspiegelung der Trennflächen zwischen den beiden Prismen ist das Verhältnis der Intensitäten zwischen aen Strahlenbündeln 6 und 7 vom Brechungsindex-Unterschied zwischen Glas (der Prismen 1 und 2) und dem Kitt, mit dem die beiden Prismen miteinander verbunden sind, abhängig. Das genannte Intensitatsverhältnis ist durch die Fresnelsehen Formeln bestimmt. Darüber hinaus können die Intensitätsverhältnisse durch teilweise Verspiegelung der Trennflächen zwischen den beiden Prismen nahezu beliebig eingestellt werden, z.B. im verhältnis 1:1 für Fringe-Systeme.

Ub nun fUr Beleuchtungssysteme mit Lokaloszillator als auch für solche nach dem Fringe-System mit einem einzigen Strahlteiler auskommen zu können, ist ein Bereich der Trennfläche, vorzugsweise die Basisfläche des Prismas 1 mit einem Spiegelbe lag 11 versehen. Durch Verschieben des Strahlteilers in der Zeichenebene senkrecht zum Lichtbündel 4 lassen sich somit unterschiedliche Intensitäten erreichen.

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Günstiger ist es jedoch/ den Strahlteiler relativ zum Beleuchtungsstrahlenbündel 4 senkrecht zur Zeichenebene zu verschieben, da hierdurch die gesamte Breite der Prismen ausgenutzt werden kann. Dieser Fall ist aus zeichnetechnischen Gründen nicht dargestellt worden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Basiswinkel des Parallelogramm-Prismas 1 JX)⁰. Auf diese Weise wird das Intensitätsverhältnis zwischen den beiden Teilstrahlenbündeln 6 und 7 polarisationsunabhangig, da der Einfallswinkel des Strahlenbündels auf die Trennfläche 3 weit genug vom Brewster-Winkel entfernt liegt. Andererseits führt ein Winkel von 30° noch zu vertretbaren Dimensionen des Strahlteilers, die - wie leicht .einzusehen ist' - von dem genannten Winkel abhängig sind. · . ι

Der vorgeschlagene Strahlteiler erzeugt aus einem einfallen-

parallele

den Lichtbündel zwei exakt symmetrisch dazu liegende Teillichtbündel, deren Mittelparallele bzw. Winkelhalbierende mit der Einfallsrichtung des Lichtes übereinstimmt. Er ist ' mit der für optische Messanordnungen erforderlichen Genauig-· keit wirtschaftlich zu fertigen. Der die Systemkonstante von Laser-Doppler-Anemometern mitbestimmende Abstand zwischen den den Strahlteiler verlassenden TeillichtbUndeln ist unabhängig von der Eintrittsstelle des Lichtes, was die Justage der Messanordnung sehr vereinfacht.

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Claims (1)

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   P # it ,e β * μ β

   ;S$ji^b!teiler #.yr E^z^wgwiijg »weiejr paralleler Strahlenbündel r-DoiPspleäT'-Aiiemometer ijiitttel-S Prismen, dadurch ,gekenn- ;,' das.s ,ei-ö ,epste« iiC .vo..r_;ge?_!:eh.e:n ist, zur EinfallsriGht«ng des _;p,u;f tS

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   ;Ebene (C

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   BAD OFtIGlNAL

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   (e ) der der genannten Seitenfläche gegenüberliegenden anderen Seitenfläche des ersten Parallelogramm-Prismas (1) von der genannten Ebene.

   '3. Strahlteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Basisflächen (8,9) des zweiten und zumindest eine Basis fläche des ersten Parallelogramm-Prismas (1) verspiegelt sind.

   1.,Strahlteiler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung unterschiedlicher IntensitätsVerhältnisse

   dep
   in den beiden Strahlteiler verlassenden Teillichtbündeln (6,7) die Schnittfläche (3) des zweiten (2) und/oder die Basisfläche des ersten Parallelogramm-Prismas '(1>) verspiegelt sind.

   5. Strahlteiler nach Anspruch 1,2, 3 oder 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung unterschiedlicher IntensitätsVerhältnisse in den beiden den Strahlteiler verlassenden Teillichtbündeln (6,7) ein räumlich begrenzter Bereich der Schnittfläche des zweiten (2) und/oder der Basisfläche des ersten Parallelogramm-Prismas (1) mit einem Spiegelbelag (11) versehen sind.

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   BAD ORH3jHAi.

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   6. Strahlteiler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiswinkel*C s 30 beträgt.

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