DE3615727A1 - Koppelstelle fuer monomode-faser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koppelstelle zur Einkopplung von Laserstrahlung in eine Monomode-Lichtleitfaser vom polarisationserhaltenden Typ.

Lichtleitfasern diesen speziellen Typs werden beispiels­ weise benötigt, um eine flexible Verbindung zwischen einem Interferometer und dem zu seiner Versorgung benutz­ ten Lasergenerator herzustellen. Für derartige Anwendun­ gen ist es außerordentlich wichtig, Störlicht mit undefi­ niertem Polarisationszustand zu eliminieren. Denn dieses Störlicht verringert nicht nur den Kontrast der Meßsig­ nale, sondern kann bei Rückstreuung entlang der optischen Achse die Regeleinrichtungen des Lasergenerators beein­ flussen, dessen Frequenz in der Längenmeßtechnik auf 10^-7 stabil gehalten werden muß.

Aus der EP-B1-00 31 274 ist es bekannt, bei Ringinterfe­ rometern vom Sagnactyp die Enden der Monomode-Fasern, in die der Laserstrahl eingekoppelt wird, abzuschrägen. Weitere Angaben über die Ausbildung der Koppelstelle sind dort allerdings keine gemacht.

In der DE-C2-27 23 972 ist ein Kopplungselement für Monomode-Fasern bekannt, das eine transparente Kapillare aufweist. Dort dient die Kapillare, in der die Faser exzentrisch eingeklebt ist, aber allein als Halteelement. Angaben über Koppelfaktor und Streulichtfreiheit sind der genannten Schrift nicht zu entnehmen.

Die DE-A1-34 31 996 beschreibt einen Sensor in Form einer Lichtleitfaser, dessen Ende abgeschrägt und in einen transparenten Halter eingefaßt ist. Die Stirnfläche von Faser und Halter sind jedoch mit Ausnahme des Kernquer­ schnitts verspiegelt, um das außerhalb des Kerns auftref­ fende Licht zur Gewinnung eines Referenzsignals zu nut­ zen. Abgesehen davon, daß es sich bei dieser Faser nicht um eine Monomode-Faser vom polarisationserhaltenden Typ handelt und schon deshalb nicht zur Versorgung von Inter­ ferometern geeignet ist, ergibt sich infolge der Ver­ spiegelung der Endfläche ein relativ hoher Streulichtpegel.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Koppel­ stelle zur Einkopplung von Laserstrahl in eine Lichtleit­ faser des eingangs genannten Typs so zu gestalten, daß bei möglichst hohem Koppelwirkungsgrad störendes Streu­ licht, insbesondere auf der optischen Achse rückge­ streutes Licht, zuverlässig vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gemäß den im Kennzeichen des Hauptan­ spruches genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß das Faserende in eine transparente Kapillare eingesetzt und abgeschrägt ist und die Kapillare von einem Mantel aus lichtabsorbierendem Material umgeben ist.

Bei dieser Lösung gelangt das neben dem Kern z.B. in den Fasermantel oder die Kapillare eintretende Licht ohne Reflektionen bis zum Außenumfang der Kapillare, der als Lichtfalle wirkt und nahezu alles Störlicht absorbiert. Das trotz der Entspiegelung vor dem Eintritt in die Faser reflektierende Licht wird durch die Neigung der Stirnflä­ che aus der optischen Achse ausgeblendet. Da die Streu­ lichtintensität reflektierender Flächen proportional zu deren Reflektionsvermögen ist, ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem die Faser direkt in Metall gefaßt oder der Bereich der Stirnfläche um die Faser herum verspiegelt ist, eine deutliche Streulichtreduzie­ rung. Im Zusammenwirken der genannten Maßnahmen läßt sich deshalb eine Störlichtunterdrückung in Richtung der opti­ schen Achse von 10^-4 der auf die Koppelstelle auftreffen­ den Lichtleiste erzielen. Dadurch wird die Regelung fre­ quenzstabilisierter Zwei-Moden-Laser nicht gestört.

Als lichtabsorbierender Mantel kann mit Vorteil ein opa­ ker Klebstoff dienen, mit dem die außen aufgeraute Kapil­ lare in ihrer Metallfassung eingeklebt ist. Die Licht­ leitfaser selbst wird zweckmäßig bei entferntem Schutz­ überzug mittels eines vom Brechungsindex an das Faserma­ terial angepaßten Klebers in die Kapillare eingeklebt, um einen ungestörten Durchgang des Falschlichts vom Faser­ mantel zur geschwärzten Außenseite der Kapillare sicher­ zustellen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, für die Entspiegelung der Stirnfläche des Lichtleiters ein mit einer Entspiegelung­ schicht versehenes Quarz- oder Glasplättchen auf die Stirnfläche der Faser bzw. Kapillare, zweckmäßig eben­ falls mittels eines indexangepaßten Klebers aufzusetzen. Dies ist von der Durchführung her einfacher als das direkte Aufbringen einer Entspiegelungschicht auf die Stirnfläche der Faser.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Fig. 1-4 der beigefügten Zeichnung.

Fig. 1 ist eine Schnittzeichnung der kompletten Justierhalterung, in der das als Koppelstelle ausgebildete Ende einer Monomode-Faser eingefäßt ist;

Fig. 2 ist eine Detaillzeichnung der eigentlichen Kop­ pelstelle (5) aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 ist eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung der Strahlgeometrie beim Einkoppeln in den Faserkern (11) aus Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Prinzipskizze der geräteseitig vor der Koppelstelle (5) angeordneten Optik.

Die in Fig. 1 dargestellte Justierhalterung, in der das Ende (5) eines Lichtleiters (10) vom polarisationserhal­ tenden Typ aufgenommen ist, besteht aus einem Gehäuse (1) und einem darin mit Schrauben (2) am oberen Ende und Schrauben (7) am unteren Ende des Gehäuses (1) lagemäßig justierbaren Einsatzstück (4). Das Einsatzstück (4) be­ sitzt an einem Ende die Form einer Halbkugel. Diese Halbkugel wird von einer Feder (8) an einen Ring (3) angelegt, dessen Lage über die Schrauben (2) transversal zur Faserachse eingestellt werden kann. Dabei stützt sich die Feder (8) an der Unterseite des Ringes (3) ab und drückt auf eine um das Teil (4) gelegte, klemmbare Mutter (6).

Die Winkellage des Einsatzteils (4) wird über die seit­ lich an die Mutter (6) drückenden Einstellschrauben (7) am unteren Ende der Fassung (1) eingestellt. Aufgrund der Ausbildung des Teils (4) als Halbkugel, deren Drehpunkt auf der Faserstirnfläche liegt, bleibt das Faserende bei dieser Einstellung ortsfest.

Das Einsatzteil (4) läßt sich weiterhin um die Faser­ längsachse verdrehen, damit die Vorzugsrichtung der Fa­ ser an die Polarisationsrichtung des einzukoppelnden Laserstrahls angepaßt werden kann. Nach dem Einstellen der Drehlage wird das Einsatzstück (4) durch Anziehen der Schraube (9) fixiert, die eine Klemmung der Mutter (6) auf dem Gewinde des Teils (4) bewirkt.

Die Justierhalterung (1) wird an eine in ihrem mechani­ schen Aufbau hier nicht näher dargestellte Buchse am Gehäuse eines Lasergenerators angeschlossen. Geräteseitig ist dem Ende (5) des Lichtleiters die in Fig. 4 skizzier­ te Optik vorgeschaltet. Diese Optik besteht aus zwei Linsen (L 1) und (L 2), durch die der Laserstrahl mit seinem Durchmesser (D 1) auf den Durchmesser (D 2) aufge­ weitet wird, und einer dritten Linse (L 3), die den aufge­ weiteten Laserstrahl auf die Stirnfläche des Kerns (11) der Lichtleitfaser fokussiert. Diese durch das Verhältnis der Brennweiten (F 1) und (F 2) der beiden Linsen (L 1) und (L 2) bestimmte Aufweitung ist nötig, damit die Größe des fokussierten Laserspots an den Durchmesser des Kerns (11) angepaßt werden kann.

Zwischen den Linsen (L 1) und (L 2) ist eine entspiegelte Planglasplatte (G) angeordnet, die wie durch den Pfeil angedeutet in zwei Richtungen senkrecht zur optischen Achse (0) gekippt werden kann. Diese Platte (G) dient als Justiermittel, um den auf die Koppelstelle fokussierten Laserspot exakt auf die Stirnfläche des Kerns (11) der Lichtleitfaser auszurichten. Zur achsialen Ausrichtung des Fokus auf das Faserende ist die Linse (L 2) entlang der optischen Achse verschiebbar.

Das als Koppelstelle ausgebildete Ende (5) des Lichtlei­ ters besitzt den in Fig. 2 detaillierter dargestellten Aufbau. Die nach dem Entfernen der Schutzumhüllung frei­ liegende, aus dem Kern (11) mit höherem Brechungsindex und dem Mantel (12) mit niedrigerem Brechungsindex beste­ hende Einzelfaser ist unter Verwendung eines transparen­ ten Klebers (13) in eine Glaskapillare (14) eingesetzt, deren Brechungsindex dem des Fasermantels (12) ent­ spricht. Auch der Brechungsindex des Klebers (13) ist mit N ≈ 1,50 an den des Mantels (12) bzw. der Kapillare (14) angepaßt.

Die Kapillare (14) ist außen aufgerauht und ihrerseits unter Verwendung eines geschwärzten Klebstoffes (15) zur Bruchsicherung in einer Metallhülse (16) gefaßt.

Auf die Stirnseite der aus Faser (11, 12), Kapillare (14) und Hülse (16) bestehenden Koppelstelle (5) ist außerdem ein entspiegeltes Glasplättchen (17) aufgeklebt, das sich nicht nur über die Stirnseite der Faser (11, 12) sondern auch noch über einen sich an die Faser anschließenden Teilbereich der Stirnfläche der Kapillare (14) erstreckt. Auch für diese Klebestelle ist der mit (13) bezeichnete, für die Verbindung Faser/Kapillare bereits eingesetzte, lösungsmittelfreie Kleber verwendet. Der Kleber dient auch dazu, Höhenunterschiede auszugleichen, die bei der Bearbeitung der Stirnseite der Koppelstelle entstehen.

Mit den geschilderten Maßnahmen wird erreicht, daß Licht, welches stirnseitig neben dem Faserkern (11), also z.B. in den Fasermantel (12) oder gar in die Kapillare (14) eintritt, ohne weitere Reflektionen durch die Klebstoff­ schicht (13) hindurch und durch die Kapillare zu deren gerauhter Außenfläche gelangt und in der daran an­ schließenden, geschwärzten Klebstoffschicht (15) absor­ biert wird. Das neben dem Kern in die Faser eingekoppelte Licht trägt deshalb nicht zur Streulichtintensität bei.

Soweit bereits an der Oberfläche des entspiegelten Plätt­ chens (17) Restreflektionen auftreten, wird durch eine Abschrägung der Stirnfläche erreicht, daß dieses Störlicht nicht auf der optischen Achse sondern außerhalb des Aperturwinkels η des in den Faserkern (11) eintre­ tenden Lichtes zurückgestreut wird. Dazu ist, wie in Fig. 3 maßstäblich dargestellt, die Flächennormale (N) der Fa­ serstirnseite unter einem Winkel β gegen die Längsachse (A) der Faser (11,12) geneigt, für den gilt:

mit n_k = Brechungsindes des Faserkerns. Unter Zugrun­ delegung üblicher Werte für η und nk beträgt der Nei­ gungswinkel β etwa 10°.

Ferner ist die optische Achse (0) des das Laserlicht in die Faser (11/12) einkoppelnden Systems (L 1/ L 2/ L 3) um einen Winkel α gegen die Faserachse (A) zu kippen, für den gilt

Der Mittelstrahl auf der optischen Achse verläuft dann aufgrund der Brechung nach dem Eintritt in den Faserkern (11) in Richtung der Faserlängsachse (A), während die unter dem Aperturwinkel η eintretenden Randstrahlen unter dem Grenzwinkel γ für innere Totalreflexion im Faserkern (11) geführt werden.

Claims (8)

1. Koppelstelle zur Einkoppelung von Laserstrahlung in eine Monomode-Lichtleitfaser (11, 12) vom polarisa­ tionserhaltenden Typ, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserende in eine transparente Kapillare (14) eingesetzt und abgeschrägt ist und die Kapillare (14) von einem Mantel aus lichtabsorbierendem Material (15) umgeben ist.

2. Koppelstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche der Faser (11, 12) ganz und die der Kapillare (14) mindestens in einem an die Faser (11, 12) anschließenden Teilbereich entspiegelt ist.

3. Koppelstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserende mittels eines transparenten Kleb­ stoffs (13) mit an die Faser angepaßtem Brechungsindex in die Kapillare (14) eingeklebt ist.

4. Koppelstelle nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kapillare (14) außen aufgerauht und mit­ tels eines lichtabsorbierenden Klebstoffs (15) in eine Metallhülse (16) eingeklebt ist.

5. Koppelstelle nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeich­ net, daß ein entspiegeltes Glas bzw. Quarzplättchen (17) mittels eines transparenten Klebstoffes auf die Stirnfläche der Faser (11, 12) bzw. der Kapillare (14) aufgeklebt ist.

6. Koppelstelle nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Faserende (5) in eine Justierhalterung (1, 4) eingesetzt ist, die eine Einstellung der relati­ ven Drehlage zwischen der Faser (11, 12) und der Pola­ risationsrichtung des einzukoppelnden Lichtes erlaubt.

7. Koppelstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel β, unter dem das Faserende abgeschrägt ist, etwa 10° beträgt.

8. Koppelstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Faserende eine Optik (L 1, L 2, L 3) angeordnet ist, die den Durchmesser (D 1) des in die Faser einzu­ koppelnden Laserstrahls aufweitet und anschließend auf den Faserkern (11) fokussiert und die Optik Justier­ mittel (G, L 2) zur Einstellung des Laserfokus enthält.