DE4105989A1 - Vorrichtung zum einkoppeln von licht in ein buendel von optischen wellenleitern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht, insbesondere Licht hoher Intensität, wie eines Laserstrahles, in ein Bündel von optischen Wellen­ leitern, insbesondere optischen Fasern.

Der Transport von intensiver optischer Strahlung, wie Laser­ strahlung, durch optische Fasern wird in der Regel durch die Zerstörung der Faserfrontfläche (Lichteintrittsfläche) begrenzt, durch die die Strahlung in die als Lichtwellen­ leiter dienenden optischen Fasern eingekoppelt wird. Ist es wegen der benötigten Flexibilität nicht möglich, optische Fasern größeren Durchmessers zu verwenden, um die Energie­ dichte bei gegebener Gesamtenergie entsprechend gering zu halten, so werden gewöhnlich Bündel von Lichtwellenleiter­ fasern geringen Querschnitts verwendet. Zum Beispiel bestehen bekannte Faserkatheter für die Laserangioplastie aus 20 bis 40 Einzelfasern mit einem Durchmesser von je 50 µm bis 100 µm. Die Einkopplung der Laserstrahlung in solche Faser­ bündel ist jedoch noch sehr ineffizient und bereitet große Schwierigkeiten. Die dichteste hexagonale Anordnung von runden Fasern füllt maximal 90% der Stirnfläche des Faser­ bündels. Der Transport der Strahlung erfolgt jedoch nur im Kern der Lichtleitfasern. Bei einem Kern-Mantel-Radius­ verhältnis (CCR) 1 : 1,1 das derzeit üblich ist, beträgt der nutzbare Flächenanteil des Kerns in einer hexagonalen Packung 75%; bei CCR = 1 : 1,06 beträgt er 80% und bei CCR = 1 : 1,2 beträgt er 63%. Eng gepackte Faserbündel sind zudem schwer herzustellen, da die Fasern zumindest für den UV-Strahlungsbereich nicht bis an die Lichteintrittsenden verklebt werden dürfen. Bei realen Lichtleitfaserbündeln liegt der Anteil des Kernquerschnitts aller Fasern im all­ gemeinen unter 50% der Gesamtstirnfläche des Faserbündels.

Ein weiterers Problem resultiert daraus, daß eine homogene Ausleuchtung der Stirnfläche eines Faserbündels schwierig zu erreichen ist. In der Praxis führen Intensitätsüberhöhungen häufig zu einer Zerstörung der zentral gelegenen Fasern. Es ist üblich, die Stirnseiten der Fasern, die alle bündig in einer Ebene abschließen, mit paralleler oder leicht fokus­ sierter (konvergenter) Strahlung zu bestrahlen. Der durch die numerische Apertur der einzelnen Fasern gegebene Akzep­ tanzwinkel wird deshalb nur zu einem sehr geringen Teil aus­ gefüllt. Die unzureichende Ausnutzung der ausbreitungs­ fähigen Moden kann zu störenden Intensitätsüberhöhungen in der Faser führen und damit die Maximal übertragbare Strahlung begrenzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der intensive Strahlung, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich Laser­ strahlung, mit hohem Wirkungsgrad in eine Vielzahl von optischen Wellenleitern eingekoppelt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand von Unter­ ansprüchen.

Die vorliegende Vorrichtung ermöglicht die volle Ausnutzung des Strahlquerschnitts, insbesondere auch eines rechteckigen Strahlquerschnitts, wie er beispielsweise bei Excimerlasern auftritt. Durch die praktisch fugenlose Überdeckung des Strahlquerschnitts durch das Linsenraster entfallen tote Flächen, die zu einem Verlust von Strahlung führen würden. Die Anordnung der voneinander beabstandeten Faserfront­ flächen hinter jeweils einem Fokuspunkt des Linsenrasters gewährleistet einerseits, daß die gesamte Strahlung, die von einer der betreffenden Faser zugeordnete Teilfläche des Linsenrasters aufgenommen wird, in den Kern der betreffenden optischen Faser eintritt und andererseits kann für jede Faser der mögliche Akzeptanzwinkel voll ausgenutzt werden. Auch bei der Verwendung von sogenannten Taper-Fasern, die sich im Anschluß an die Strahlungseintrittsfläche über eine vorgegebene Strecke konisch verjüngen, ist für alle Fasern eine gleichmäßig gute Einkopplung zu erreichen. Die vor­ liegende Vorrichtung bietet also die Möglichkeit, große Strahlungsintensitäten gleichmäßig und ohne nennenswerte Verluste auf eine beliebige Anzahl von optischen Wellen­ leitern zu verteilen und damit die Überlastung einzelner optischer Wellenleiter zu verhindern.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden noch weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung zur Sprache kommen.

Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Stirnansicht eines Linsenrasters der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine genauere Draufsicht auf einen Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine genauere Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 5 eine Fig. 4 entsprechende Seitenansicht einer abge­ wandelten Ausführungsform der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel der Einkopplung von intensivem Laserlicht in ein Glasfaserlichtleiterbündel erläutert. Der Begriff "Licht" ist nicht einschränkend auszulegen, sondern wird der Einfachheit halber ganz all­ gemein für optische Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Strahlungsbereich verwendet. Die vorliegende Vorrichtung ist auch nicht auf Laserstrahlung beschränkt, sondern kann auch zur Einkopplung intensiver nichtkohärenter Strahlung von Strahlungsquellen, wie Gasentladungslampen und dergl., in Faserbündellichtleiter bzw. eine Mehrzahl von optischen Wellenleitern und dergl. verwendet werden.

Die in den Fig. 1 bis 4 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Vorrichtung enthält eine nur schema­ tisch dargestellte, konventionelle Einrichtung 10 zur Auf­ weitung, d. h. Querschnittsvergrößerung (wenn diese erforder­ lich ist), eines Laserlichtbündels oder -strahles 12a von einem nicht dargestellten Laser, wie einem Excimer-Laser. Der aufgeweitete, möglichst homogene und parallele Laser­ lichtstrahl 12b fällt auf eine Linsenrasteranordnung 14, welche entsprechende Teilbereiche des Laserlichtstrahls 12 in die im Abstand voneinander angeordneten Stirnflächen (Lichteintrittsflächen) von Lichtleitfasern 16 einkoppelt. Die Lichteintrittsenden der Lichtleitfasern sind in einer Halterung 18 gehaltert, die eine Lochplatte oder ent­ sprechend gefertigte Steckplätze, in denen die einzelnen Fasern mit Steckern fixiert werden, oder ein Kittbett oder irgendeine andere geeignete Einrichtung enthalten kann. In einem gewissen Abstand von den Lichteintrittsenden sind die Lichtleitfasern zu einem Faserbündel 20 zusammengefaßt, insbesondere verklebt.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Linsen­ rasteranordnung aus einer ersten ebenen Gruppe aus einer Anzahl n₁ von gleichartigen, parallelen, möglichst fugenlos aneinander angrenzenden konvexen Zylinderlinsen gleicher Brennweite f₁. Die Breite der Linsen sei mit b₁, die Länge mit l₁ bezeichnet. In Strahlungsausbreitungsrichtung folgt auf die erste Linsengruppe 14a eine parallele, d. h. äqui­ distante zweite, ebene Zylinderlinsengruppe 14b, die aus einer Anzahl n₂ von gleichartigen, parallelen, möglichst fugenlos aneinander angrenzenden konvexen Zylinderlinsen gleicher Brennweite f₂, die jedoch senkrecht zu den Linsen der ersten Gruppe verlaufen, besteht. Die Länge l₂ der Zylinderlinsen der zweiten Linsengruppe 14b ist mindestens n₁b₁, die Länge l₁ ist mindestens n₂b₂. Die Brennweiten f₁ und f₂ sind so zu wählen, daß sich für das durch den Über­ deckungsbereich zweier Zylinderlinsen der ersten und zweiten Linsengruppe erfaßte Teilstrahl 12c ein im wesentlichen anastigmatischer Brennpunkt ergibt, d. h. daß die Brenn­ linien aller Zylinderlinsen in der gleichen Brennebene 22 liegen. Bei Lichtstrahlen gleicher Divergenz in horizontaler und vertikaler Richtung ist es somit am günstigsten, f₁=f₂ plus dem Abstand der beiden Linsengruppen 14a, 14b zu machen. Im vorliegenden Falle wird das als rechteckig angenommene aufgeweitete Lichtbündel 12b nur in 5×5 Teilbündel 12c aufgeteilt, es ist also n₁=n₂=5, in der Praxis können selbstverständlich auch weniger oder mehr Glasfasern 16 vorhanden sein und n₁ kann auch ungleich n₂ sein.

Die Glasfasern 16 haben ebene glatte und saubere Oberflächen, wie sie durch polieren oder Brechen zu erreichen sind und werden durch die Halterung 18 in den Kreuzungspunkten der in Fig. 2 dargestellten Gitterlinien des Linsenrasters angeord­ net, d. h. ihre verlängerte Achse geht durch einen Fokuspunkt in der Brennebene 22, schneidet die Ebenen der Linsengruppen senkrecht und liegt in den zentralen Ebenen jeweils einer Zylinderlinse aus beiden Ebenen 14a, 14b. Die Stirnflächen der Fasern liegen in einer Ebene, die in Lichtausbreitungs­ richtung etwas hinter der Brennebene 22 angeordnet ist, so daß der sich hinter dem Fokus aufweitende Teilstrahl den Kern der Glasfaser voll ausleuchtet. Die Brennweite der Linsen f₁ bzw. f₂ soll nicht kleiner sein als b₁/2NA bzw. b₂/2NA, wobei NA die durch den Brechungsindex der für den Kern und den Mantel der Lichtleitfasern verwendeten Materia­ lien gegebene numerische Apertur der einzelnen optischen Fasern bedeutet.

Fig. 5 zeigt eine Fig. 4 entsprechende Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der sogenannte Taper- Fasern 16a verwendet werden, d. h. optische Fasern mit einem konisch erweiterten Einkoppelende. Hier ist die Stirnfläche der Faser, durch die der fokussierte Teilstrahl 12c eintritt, vor der Fokusebene angeordnet, so daß der Lichtstrahl an der Eintrittsfläche konvergent ist. Der Fokus des Teilstrahls soll dabei an oder in der Nähe der Stelle 16b liegen, an der das konusförmige Einkoppelende in den zylindrischen Teil der Faser übergeht. Der Fokusdurchmesser in der Faser sollte etwas kleiner als der des Kerns des zylindrischen Teils der Faser sein und der Einfallswinkel des in die Stirnfläche der Faser eintretenden fokussierten Teilstrahls sollte etwas kleiner sein als der Öffnungswinkel des kegelförmigen Endes der Faser. Im übrigen entspricht die Ausführungsform gemäß Fig. 5 der gemäß Fig. 1 bis 4, so daß sich eine weitere Erläuterung erübrigt.

Die Zylinderlinsen sind zur Reduzierung von Reflexions­ verlusten zweckmäßigerweise mit geeigneten, bekannten reflexionsvermindernden Schichten versehen.

Durch eine in Fig. 1 dargestellte Blendenplatte 24, die beispielsweise in der Fokusebene der Linsenrasteranordnung angeordnet sein kann und ein gewünschtes Lochmuster aufweist, lassen sich gewünschte Teilstrahlen selektiv durchlassen bzw. blockieren, so daß eine beliebige Anzahl von optischen Fasern des Bündels in einer beliebigen Anordnung selektiv zum Ansprechen gebracht werden kann.

Eine praktische Ausführungsform der Erfindung, die zur Einkopplung der Strahlung eines Excimerlasers in vierzig Quarzglasfasern mit einem Durchmesser von jeweils 100 µm und einem Brechungsindex NA=0,22 diente, war wie folgt bemessen:

n₁ = 10;
n₂ = 4;
l₁ = 30 mm,
l₂ = 60 mm;
b₁ = b₂ = 5 mm,
f₁ = 60 mm;
f₂ = 55 mm.

Die einzelnen Fasern sind mit Steckern festgelegter Abmes­ sungen einzeln in entsprechenden Steckplätzen der Halterung 18 (Fig. 1) fixiert. Sie verliefen über mindestens 10 mm im Anschluß an die Lichteintrittsflächen parallel.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich in der verschiedensten Weise abwandeln. Anstelle eines Linsen­ rasters aus zwei gekreuzten Systemen paralleler Zylinder­ linsen läßt sich auch beispielsweise eine einzige Ebene aus sphärischen Linsen mit quadratischer Begrenzung oder ent­ sprechende Fresnel-Linsen, Zonenplatten, oder ein holo­ graphisches Linsenraster verwenden.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in ein Bündel von optischen Wellenleitern, die jeweils eine Lichteintritts­ fläche aufweisen, mit einer im Wege des Lichtstrahls anzu­ ordnenden optischen Einrichtung zum Leiten des Lichtsrahls in die Lichteintrittsflächen der optischen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung eine Linsenrasteranordnung (14) enthält, welche einen vorgegebe­ nen Flächenbereich im wesentlichen fugenlos ausfüllt, den diesen Flächenbereich durchsetzenden Lichtstrahl (12b) in Teilstrahlen (12c) zerlegt und diese Teilstrahlen in ent­ sprechende, voneinander beabstandete Brennpunkte fokussiert, und daß die Lichteintrittsflächen der optischen Wellenleiter (16) jeweils in der Ausbreitungrchtung eines der Teilstahlen (12c) gehaltert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Halterungsvorrichtung (18), welche die an die Lichteintritts­ flächen angrenzenden Enden der Wellenleiter im Abstand voneinander und parallel zueinander haltert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wellenleiter optische Fasern (16) mit zylindrischem Licheintrittsende sind und daß die Licht­ eintrittsflächen der optischen Fasern in einer Ebene angeordnet sind, welche in Ausbreitungsrichtung der Strahlung in einen vorgegebenen Abstand hinter den Brennpunkten liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichmet, daß die optischen Wellenleiter optische Fasern mit einem sich anschließend an die Lichteintrittsfläche konisch verjüngenden Lichteintrittsende und einem sich daran an­ schliessenden, zylindrischen Faserteil sind und daß die Lichteintrittsflächen der Fasern in einer Ebene liegen, die in Ausbreitungsrichtung der Strahlung in einem vorgegeben­ en Abstand vor den Brennpunkten liegt (Fig. 5).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt der Teilstrahlen jeweils im Bereich des Überganges (16b) zwischen dem konischen Lichteintrittsende und dem zylindrischen Faserteil liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilbündel (12c) einen Konvergenzwinkel haben, der kleiner ist als der Öffnungswinkel des kegel­ förmigen Teiles.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenrasteranordnung eine erste Gruppe (14a) von in einer ersten Ebene liegenden, fugenlos aneinander angrenzenden parallelen, gleichartigen Zylinderlinsen und eine benachbarte zweite Gruppe (14b) von in einer zweiten, zur ersten parallelen Ebene liegenden, gleichartigen, parallelen, fugenlos aneinander angrenzenden Zylinderlinsen enthält, wobei die Zylinderlinsen der beiden Gruppem senkrecht zueinander verlaufen und solche Brenn­ weiten haben, daß ihre Brennlinien in der gleichen Ebene (22) liegen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls vor der Linsenrasteranordnung (14) eine Einrichtung (10) zur Querschnittsvergrößerung des Lichtstrahls angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Wellenleiter in einem gewissen Abstand von ihren Strahlungseintrittsflächen zu einem kompakten Bündel (20) zusammengefaßt sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Blendenanordnung (24) zum selektiven Sperren vorgegebener Teilstrahlen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenanordnung zwischen der Linsenrasteranordnung (14) und den Lichteintrittsflächen der optischen Wellenleiter angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Linsenrasteranordnung ein fugenloses Raster von quadratischen Fokussierungslinsen enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungslinsen sphärische Linsen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungslinsen holographische Linsen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen Fresnel′sche Linsen oder Zonenplatten sind.