DE4017411C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln wenigstens eines Lichtstrahles in eine Lichtleitfaser mit einer Fokussieroptik, die den Lichtstrahl im Bereich der Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser fokussiert, und einer Verschiebevorrichtung, die mittels Bewegungselementen die Fokussieroptik oder das Lichtleitfaserende relativ zueinander in einer Ebene parallel zur Lichteintrittsfläche bewegt.

Derartige Vorrichtungen werden benötigt, wenn Laserstrahlung an einen Ort übertragen werden soll, der für eine geradlinige Lichtausbreitung unzugänglich ist. Einsatzgebiete sind beispielsweise die optische Informationsübertragung oder die Medizintechnik, wo intensive Laserstrahlung zur Behandlung von Gewebe im menschlichen Körper eingesetzt wird.

Wenn bei der Übertragung die optischen Eigenschaften der Strahlung erhalten bleiben sollen, insbesondere bei modenreiner Übertragung, werden einzelne Lichtleitfasern mit einem Durchmesser von weniger als 50 µm eingesetzt. Um die Leistungsverluste bei der Übertragung gering zu halten, ist es erforderlich, den Laserstrahl zentral auf die Lichteintrittsöffnung der Lichtleitfaser zu fokussieren.

Hierzu werden entweder die Fokussieroptik oder das Ende der Lichtleitfaser in der Ebene der Lichteintrittsöffnung der Faser verschoben. Wegen des geringen Faserdurchmessers muß die Verschiebung zum Erreichen einer optimalen Einkoppelung mit einer Genauigkeit im µm-Bereich erfolgen. Deshalb müssen an eine Verschiebeeinrichtung hohe Anforderungen gestellt werden.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der jedes Bewegungselement aus einem Konus besteht, ist aus der US-PS 42 65 511 bekannt. Bei dieser bekannten Verschiebeeinrichtung wird die für die erforderliche präzise Relativpositionierung von Fokussieroptik und Lichtleiter benötigte Genauigkeit durch den Einsatz von feinstgewindigen µm-Schrauben erreicht. Solche Einrichtungen sind aufwendig und teuer und deshalb für die Herstellung in größeren Stückzahlen ungeeignet.

Um die Anforderungen an eine Verschiebeeinrichtung zu reduzieren, ist beispielsweise in der DE 31 37 602 vorgeschlagen worden, den Brennpunkt der Fokussieroptik mit Hilfe eines Abbildungssystems lateral zu verschieben. Auf diese Weise kann man durch die Auswahl eines geeigneten Brennweiten-Verhältnisses der Fokussieroptik und des Abbildungssystems den Brennpunkt durch eine relativ grobe Verschiebung des Abbildungssystems auf die Faser justieren. Allerdings bedingt der Einsatz eines zusätzlichen Abbildungssystems mit zusätzlichen optischen Flächen im Strahlengang einen erhöhten apparativen Aufwand und höhere Herstellungskosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einkoppeln wenigstens eines Lichtstrahles in eine Lichtleitfaser bereitzustellen, die bei einfacher Ausbildung eine hochpräzise Justierung erlaubt und die in großer Stückzahl preiswert hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit einer Fokussieroptik und einer Verschiebeeinrichtung mit Bewegungselementen dadurch gelöst, daß jedes Bewegungselement der Verschiebeeinrichtung aus einem an einer konvexen Anlagefläche punktförmige anliegenden Konus besteht und daß der Konus und die konvexe Anlagefläche relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind.

Die Verschiebung der Fokussieroptik oder des Lichtleitfaserendes wird dadurch erreicht, daß der Konus entlang seiner Figurenachse bewegt wird. Durch diese Bewegung ändert sich der Abstand zwischen dem Berührungspunkt der Anlagefläche mit dem Konus und der Figurenachse des Konus. Bei feststehender Figurenachse wird die Anlagefläche senkrecht zur Figurenachse des Konus bewegt.

Wenn die Fokussieroptik oder das Lichtleitfaserende starr mit der konvexen Anlagefläche verbunden sind, ändert sich auch deren Abstand von der Figurenachse des Konus. Durch Vorgabe eines bestimmten Konuswinkels wird das Untersetzungsverhältnis der Bewegung des Konus in Richtung seiner Figurenachse in die Bewegung senkrecht zur Figurenachse gewählt. Durch die Wahl eines kleinen Konuswinkels mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine äußerst präzise Justierung im µm-Bereich erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nach Anspruch 2 weist die Verschiebeeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen feststehenden Rahmen und einen verschiebbaren Schlitten auf. An dem verschiebbaren Schlitten werden je nach Ausgestaltung der Vorrichtung die Fokussieroptik oder das Lichtleitfaserende angebracht. Damit der Kontakt zwischen dem Konus und der konvexen Anlagefläche stets gewährleistet ist, wird mit Hilfe von Rückstellelementen eine rückstellende Kraft auf den Schlitten ausgeübt.

Gemäß Anspruch 3 ist der Konus als Teil einer Justierschraube ausgebildet. Dadurch erfolgt die Bewegung des Konus in Richtung seiner Figurenachse durch einfaches Drehen der Justierschraube in einem Gewinde. An die Präzision des Gewindeganges sind dabei keine hohen Anforderungen gestellt.

Die konvexe Anlagefläche ist nach Anspruch 4 an dem verschiebbaren Schlitten angebracht. Bei dieser Ausgestaltung ist das Gewinde für die Justierschraube mit dem Konus in den feststehenden Rahmen geschnitten. Für bestimmte Anwendungsfälle kann ebenso gut die konvexe Anlagefläche mit dem festen Rahmen verbunden sein, dann ist die Justierschraube an dem beweglichen Schlitten angebracht.

Bei der in Anspruch 5 gekennzeichneten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die konvexe Anlagefläche als Zylinder ausgebildet. Die Zylinderachse liegt in der Verschiebungsebene und steht senkrecht auf der Figurenachse des Konus. Die Zylinderform gewährleistet ein sicheres Anliegen des Konus an der konvexen Oberfläche über die gesamte Länge des Zylinders.

Die Verschiebeeinrichtung gemäß Anspruch 6 weist zwei Bewegungselemente auf, deren Bewegungsrichtungen senkrecht aufeinander stehen. Damit wird eine Entkoppelung der Bewegung in der Ebene der Strahleintrittsfläche erreicht. Die Bewegung des verschiebbaren Schlittens in einer Richtung in der Ebene beeinflußt die Lage bezüglich der anderen Richtung nicht. Diese Weiterbildung erlaubt ein schnelles Justieren mit nur wenigen Justierschritten.

Für bestimmte Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Verschiebung der Fokussieroptik oder des Lichtleitfaserendes nicht nur in der Ebene der Strahleintrittsfläche erfolgen kann. Die im Anspruch 7 gekennzeichnete Vorrichtung erlaubt zusätzlich eine Verschiebung in Richtung des Lichtstrahles. Damit kann die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser exakt in den Fokus des Lichtstrahles justiert werden.

Als Quelle des einzukoppelnden Lichtstrahles ist nach Anspruch 8 ein Laser vorgesehen, wobei gemäß Anspruch 10, je nach Anwendungsfall, ein leistungsfähiger Argon-Laser oder ein Neodym-YAG-Laser vorgezogen werden. Die Fokussieroptik und die Verschiebeeinrichtung sind entlang der optischen Achse ausgerichtet und fest mit dem Laser verbunden. Die Grobjustierung der Vorrichtung bleibt so immer erhalten, es braucht lediglich eine Feinjustierung vorgenommen werden.

Um die Justierung nicht mit dem leistungsstarken Laser vornehmen zu müssen, insbesondere bei der Verwendung des im nahen Infrarot arbeitenden Neodym-YAG-Lasers, ist bei der im Anspruch 9 gekennzeichneten Vorrichtung ein Justierlaser vorgesehen. Der Lichtstrahl dieses Lasers wird mit Hilfe eines frequenzselektiven Spiegels in den Strahlengang des leistungsstarken Lasers eingeblendet. Während der Lichtstrahl dieses Lasers den frequenzselektiven Spiegel annähernd ungeschwächt durchdringt, wird der Strahl des Justierlasers an der Oberfläche des schräg in den Strahlengang gestellten Spiegels reflektiert, so daß er den Strahlengang des leistungsstarken Lasers simuliert.

Nach Anspruch 10 wird als Justierlaser vorzugsweise ein HeNe-Laser verwendet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Justierung bei der Einkopplung eines Lichtstrahles in eine Lichtleitfaser statt mit einer aufwendigen und teueren Verschiebeeinrichtung unter Verwendung von µm-Schrauben oder einer zusätzlichen optischen Einrichtung mit Hilfe einer einfach herstellbaren mechanischen Einrichtung erfolgt. Dadurch werden die Produktionskosten der Vorrichtung ohne Qualitätseinbuße wesentlich verringert. Der in der Vorrichtung verwendete Konus kann leicht ausgewechselt werden. Dadurch kann die Vorrichtung dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßt werden. Wenn weniger hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Justierung gestellt werden, empfiehlt sich der Einsatz eines Konus mit großem Winkel, wodurch die Schnelligkeit des Justiervorganges erhöht wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist robust und erlaubt eine sichere, stabile Justierung, weshalb sie sich besonders für den praktischen Einsatz auch durch ungeübtes Personal eignet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Verschiebeeinrichtung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Lichtstrahl 1 des Lasers 2 in die Lichtleitfaser 3 eingekoppelt. Mit Hilfe des Filters 5, der justierbar auf einer Halterung 6 montiert ist, kann aus dem Laserstrahl 1 Licht einer vorgebbaren Wellenlänge herausgefiltert werden. Beispielsweise wird mit Hilfe eines Grünfilters die grüne Linie aus den von einem Argon-Laser emittierten Linien ausgewählt. Mit der drehbar angebrachten Platte 7 kann der Lichtstrahl 1 unterbrochen werden.

Der Lichtstrahl 1 wird mit Hilfe der Fokussierlinse 4 auf die Strahleintrittsfläche der Lichtleitfaser 3 fokussiert. Die Fokussierlinse 4 wird im verschiebbaren Schlitten 8 der Verschiebeeinrichtung 9 gehalten. Der Zylinder 10 stellt die konvexe Anlagefläche für den Konus 11 dar, der als Teil der Justierschraube 12 ausgebildet ist.

Durch Drehen der Justierschraube 12 wird der Konus 11 längs zu seiner Figurenachse bewegt.

Da die Halterung 13 der Lichtleitfaser 3 fest mit dem Rahmen 14 der Verschiebeeinrichtung 9 verbunden ist, wird mit der beschriebenen Bewegung die Fokussierlinse 4 relativ zu der Lichtleitfaser 3 parallel zur Strahleintrittsfläche verschoben.

Während des Justiervorganges wird der Lichtstrahl 1 des Lasers 2 mit Hilfe des Lichtstrahls 15 eines Justierlasers 16 simuliert. Die Einkopplung des Lichtstrahles 15 des Justierlasers 16 in den Strahlengang des Lasers 2 erfolgt mittels zweier justierbar angeordneter Spiegel 17 und 18, von denen der Spiegel 18 frequenzselektiv wirkt.

Das Grünfilter 5, der Spiegel 18, die Platte 7 sowie die Verschiebeeinrichtung 9 mit der Fokussierlinse 4 und der Lichtleitfaser 3 sind entlang der optischen Achse 19 des Lasers 2 auf einem gemeinsamen Gestell 20 montiert, das fest mit dem Laser 2 verbunden ist.

Eine Seitenansicht der Verschiebeeinrichtung 9 ist in der Fig. 2 dargestellt. Im zentralen Bereich der Verschiebeeinrichtung 9 wird die Lichtleitfaser 3 durch die Halterung 13 fixiert. Zwei Bewegungselemente, bestehend aus jeweils einem Zylinder 10 und einem in der Figur nicht sichtbaren Konus, sind senkrecht zueinander in der Ebene der Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser angeordnet. Bei Verschiebung des Schlittens durch ein Bewegungselement in eine Richtung wird der Konus des anderen Bewegungselementes entlang des zugehörigen Zylinders verschoben.

Dadurch verschiebt sich der Kontaktpunkt des Zylinders mit dem Konus. Die Zylinderform bietet die Gewähr dafür, daß der Konus auch nach der Verschiebung punktförmig an der konvexen Anlagefläche anliegt.

Die Justierschrauben 12, die jeweils einen konusförmigen Bereich aufweisen, sind in dieser Figur als Schlitzschrauben dargestellt. Die Verschiebeeinrichtung ist mit Hilfe von Schrauben 21 an dem Gestell 20 befestigt. Ferner sind bevorzugt geeignete Vorspannungselemente, wie Federn oder dgl., vorgesehen, die den Konus in Anlage an der konvexen Anlagefläche halten, so daß das Spiel minimiert ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Einkoppeln wenigstens eines Lichtstrahles in eine Lichtleitfaser mit einer Fokussieroptik, die den Lichtstrahl im Bereich der Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser fokussiert und einer Verschiebeeinrichtung, die mittels Bewegungselementen die Fokussieroptik oder das Lichtleitfaserende relativ zueinander in einer Ebene parallel zur Lichteintrittsfläche bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bewegungselement der Verschiebeeinrichtung aus einem an einer konvexen Anlagefläche punktförmig anliegenden Konus besteht und daß der Konus und die konvexe Anlagefläche relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeeinrichtung einen feststehenden Rahmen und einen verschiebbaren Schlitten aufweist, der mittels Rückstellelementen mit dem feststehenden Rahmen verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konus als Teil einer Justierschraube ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Anlagefläche an dem verschiebbaren Schlitten angebracht ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Anlagefläche ein Zylinder ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verschiebeeinrichtung zwei Bewegungselemente derart angeordnet sind, daß die Bewegungsrichtungen aufeinander senkrecht stehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verschiebeeinrichtung drei Bewegungselemente derart angeordnet sind, daß die Bewegungsrichtungen aufeinander senkrecht stehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Quelle eines einzukoppelnden Lichtstrahles ein erster Laser ist, und daß die Fokussieroptik und die Verschiebeeinrichtung auf der optischen Achse des ersten Lasers liegen und fest mit dem Laser verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Laser vorgesehen ist und daß zum Einkoppeln des Laserstrahles des zweiten Lasers in den Strahlengang des ersten Lasers auf der optischen Achse des ersten Lasers ein frequenzselektiver Spiegel angebracht ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Laser ein leistungsstarker Argon-Laser oder ein Neodym-YAG-Laser und der zweite Laser ein HeNe-Laser mit geringer Leistung ist.