DE4232035C1

DE4232035C1 - Beam coupler for combining laser beams from optical fibres - consists of optic having pyramid with number of sides corresponding to number of beams to be coupled on half of convex lens

Info

Publication number: DE4232035C1
Application number: DE19924232035
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Ing Hamann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-24
Filing date: 1992-09-24
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2012-09-25

Abstract

The beam coupler consists of an optic in the form of a convex lens cut across its middle plane. A pyramid is centrally formed on the cut face. The number of side faces (2) of the pyramid corresponds to the number of light beams (5) to be coupled. The light beams emerge from optical waveguides or fibres (3). The ends of the optical waveguides lie at the focus of the respective side face. A collimated light beam emerges from the curved surface of the half-convex lens. USE/ADVANTAGE - E.g. for combining several solid state laser sources together to form beam of greater intensity. Compact design.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlkoppler zum Zusammen fassen mehrerer aus Lichtwellenleitern austretender Licht strahlen. Dabei werden insbesondere Laserstrahlen zur Ver stärkung überlagert.The invention relates to a beam coupler for together hold several light emerging from optical fibers shine. In particular, laser beams are used for ver strengthening superimposed.

Im heutigen Stand der Technik ist eine Leistung von 500 W bei einem Festkörperlaser aus einer Kavität erzeugbar. Wird eine höhere Leistung benötigt so können mehrere Kavi täten (Einheiten zur Laserstrahlerzeugung) in einem Reso nator vereinigt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß mehrere Kavitäten in Form eines Oszillator- Verstärker aufgebaut sind. Diese Versionen sind jedoch schwer zu beherrschen. Zum einen muß das Laserfundament sehr stabil ausgelegt werden und aufgrund der hohen Leistung werden die Resonatoroptik und die Stäbe stark belastet.In today's state of the art there is an output of 500 W. can be generated from a cavity in the case of a solid-state laser. If a higher output is required, several Kavi can activities (units for laser beam generation) in a reso be united. Another option is there in that several cavities in the form of an oscillator Amplifiers are built. However, these versions are difficult to control. First, the laser foundation be designed very stable and due to the high Performance, the resonator optics and rods become strong charged.

Eine Weiterentwicklung stellen die Kombinationen aus mehreren Strahlquellen dar, wobei die Überlagerung mehrerer Laserstrahlen eine Verstärkung bedeutet. Eine derartige Kombination kann beispielsweise über Spiegel systeme geschehen, die die Strahlen auf einen gemeinsamen Fokusfleck leiten. Ein Nachteil der Spiegelsysteme ist je doch, daß sie starr und unhandlich sind.The combinations are a further development multiple beam sources, with the overlay multiple laser beams means an amplification. A such a combination can, for example, by means of mirrors systems happen that have the rays on a common one Guide focus spot. One disadvantage of mirror systems is ever yet that they are rigid and unwieldy.

Andere technische Lösungen zur Verstärkung der Leistung eines Festkörperlasers nutzen die Lichtwellenleitertechnik. Dabei besteht zum einen die Möglichkeit aus mehreren Strahlquellen Laserstrahlen über Lichtwellenleiter zu leiten, wobei am Ende der Lichtwellenleiter jeweils ein Fokussierkopf vorhanden ist. Die Fokussierköpfe werden derart angeordnet, daß sich sämtliche Foki überlagern. Eine ähnliche Version sieht die Kollimation des Laser lichtes nach dem Austreten aus einem Lichtwellenleiter vor, wobei das Ende der Faser der Lichtwellenleiter keinen Fokussierkopf aufweist. Die kollimierten Strahlen werden anschließend über eine gemeinsame große Linse fo kussiert. Ein derartiges System ist beispielsweise als "3 in 1-Kopf" der Firma Lumonics (Rugby; England) zu erhal ten. Eine ebenso praktikable Möglichkeit bietet das in verse Multiplexen. Dabei werden mehrere Laserstrahlen über Drehspiegel oder Prismen so kombiniert, daß sie anschlie ßend mit einer Faser übertragen werden können.Other technical solutions to enhance performance of a solid-state laser use fiber optic technology. On the one hand there is the possibility of several Beam sources Laser beams via optical fibers too conduct, at the end of each optical fiber Focusing head is present. The focusing heads are arranged so that all foci overlap. A similar version sees the collimation of the laser light after emerging from an optical fiber before, the end of the fiber of the optical fiber has no focusing head. The collimated rays are then fo over a common large lens kissed. Such a system is, for example, as "3rd in 1 head "from Lumonics (Rugby; England) This offers an equally practical option in verse multiplexing. Several laser beams are emitted Rotating mirrors or prisms combined so that they connect can be transmitted with one fiber.

Sämtliche dieser genannten Verfahren haben den Nachteil, daß sie technisch aufwendig und relativ groß in der Konstruktion sind. Beim inversen Multiplexen ist beispiels weise der Tastgrad immer kleiner als 100%.All of these methods have the disadvantage that that they are technically complex and relatively large in size Construction. In the case of inverse multiplexing, for example the duty cycle is always less than 100%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahl koppler zum Koppeln mehrerer Lichtstrahlen die aus Licht wellenleitern austreten zur Verfügung zu stellen, wobei mit geringem konstruktiven Aufwand und in möglichst kleiner Bauform ein Zusammenfassen bzw. Verstärken der Lichtstrahlen ermöglicht wird.The invention has for its object a beam coupler for coupling multiple light beams from light to provide waveguides emerge, whereby with little design effort and in as much as possible small size summarizing or strengthening the Light rays is made possible.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Patentanspruches.This problem is solved by the features of the claim.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit einer Optik, die in Form einer an deren Mittelebene geschnitte nen Sammellinse mit einer auf der Schnittfläche zentrisch aufgebrachten Pyramide mehrere aus Lichtwellenleitern aus tretende Lichtstrahlen koppelbar sind, so daß sie zu einem einzigen kollimierten Lichtstrahl zusammengefaßt werden. The invention is based on the finding that with a Optics cut in the form of a middle plane Native lens with one centered on the cut surface applied pyramid several made of optical fibers stepping light beams can be coupled so that they become one single collimated light beam can be summarized.

Die verwendete Optik weist also eine Anzahl von Seiten flächen auf, die der Anzahl der zu koppelnden Licht strahlen entspricht, wobei die Enden der Lichtwellenleiter jeweils im einer Seitenfläche zugeordneten Fokus liegen und an der gekrümmten Fläche der halben Sammellinse ein kollimierter Lichtstrahl austritt. Wenn ein kollimierter Strahl auf der Seite der Linse eintritt, dann ergeben sich auf der Austrittsseite mehrere Foki. Der diese Optik enthaltende Faserkoppler ist so konstruiert, daß die zusammenzufassenden Lichtstrahlen über die Seitenflächen der Pyramide aufgenommen werden. Eine Seitenfläche ist jeweils einem Lichtstrahl zugeordnet. Der aus den einzelnen Lichtstrahlen zusammengefaßte Lichtstrahl tritt an der gekrümmten Fläche der halben Sammellinse aus. Es liegt ein kollimierter Lichtstrahl vor. Dieser kann mit einer weiteren Sammellinse fokussiert werden.The optics used therefore have a number of pages areas, the number of light to be coupled radiate corresponds to the ends of the optical fibers are each in the focus assigned to a side surface and on the curved surface of the half lens collimated light beam emerges. If a collimated Beam enters on the side of the lens, then arise several foci on the exit side. The one with this look containing fiber coupler is designed so that the light rays to be summarized over the side surfaces the pyramid. One side face is each assigned to a light beam. The one from the individual light rays combined light beam occurs on the curved surface of the half lens. It there is a collimated light beam. This can with another focusing lens.

Dieser durch die Optik ausgebildete Strahlkoppler weist eine minimale Anzahl von optischen Elementen auf. Zusätzlich ist seine Baugröße relativ kleiner. Der Strahlkoppler besitzt einen Tastgrad von 100%. Außerdem ist im Verhältnis zu dem Optikkopf der Firma Lumonics (3 in 1-Optik) ein kleinerer Fokus (Durchmesser) möglich. Der Fokus hängt bei der Erfindung nur von den optischen Elementen und den Abmessungen der Lichtwellenleiter ab, aber beispielsweise nicht vom Abstand der Enden der Licht wellenleiter zueinander.This beam coupler designed by optics has a minimal number of optical elements. In addition, its size is relatively smaller. Of the Beam coupler has a duty cycle of 100%. Furthermore is in relation to the optical head from Lumonics (3 in 1 optics) a smaller focus (diameter) possible. The focus in the invention depends only on the optical Elements and the dimensions of the optical fibers, but for example not from the distance of the ends of the light waveguide to each other.

Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Ausführungsbeispiel beschrieben.The following is a schematic figures Described embodiment.

Fig. 1 zeigt eine Optik 1 im seitlichen Schnitt. Fig. 1 shows an optic 1 in a lateral section.

Fig. 2 zeigt eine Optik 1 in der Draufsicht. Fig. 2 shows an optic 1 in plan view.

Die Fig. 1 zeigt eine Optik 1, die in ihrer unteren Hälfte die Form einer Sammellinse aufweist, die in ihrer Mittel ebene geschnitten wurde. Diese halbe Sammellinse wirkt mit einer Pyramide zusammen, die auf der ebenen Schnittfläche der halben Sammellinse plaziert ist. Die Pyramide weist eine bestimmte Anzahl von Seitenflächen 2 auf, die der An zahl der zu koppelnden Lichtstrahlen entspricht. Aus dem Lichtwellenleiter 3 tritt ein Laserstrahl 5 aus, der über eine Seitenfläche 2 in die Optik 1 eintritt. Das Ende des Lichtwellenleiters 3 liegt im Fokus 4 auf der Pyramiden seite. So wie in Fig. 1 dargestellt tritt der Laserstrahl 5 in der hinteren rechten Seitenfläche 2 der Optik 1 ein. Fig. 1 shows an optic 1 , which has in its lower half the shape of a converging lens, which was cut in its middle plane. This half converging lens interacts with a pyramid, which is placed on the flat cutting surface of the half converging lens. The pyramid has a certain number of side surfaces 2 , which corresponds to the number of light beams to be coupled. A laser beam 5 emerges from the optical waveguide 3 and enters the optics 1 via a side surface 2 . The end of the optical fiber 3 is in focus 4 on the pyramid side. As shown in FIG. 1, the laser beam 5 enters the rear right side surface 2 of the optics 1 .

Die Fig. 2 zeigt die Optik 1 in der Draufsicht, wobei der Umfang der halben Sammellinse sowie die Grundfläche der Pyramide zu erkennen sind. Die hier dargestellte Optik 1 mit ihren vier Seitenflächen 2 ist zum Koppeln bzw. Zusammenfassen von vier Laserstrahlen 5 ausgelegt. Fig. 2 shows the optical system 1 in the plan view, the circumference of half the condensing lens and the base of the pyramid can be recognized. The optic 1 shown here with its four side surfaces 2 is designed for coupling or combining four laser beams 5 .

Entsprechend der Fig. 2 enden die Seitenflächen 2 an den Grundlinien der Grundfläche der Pyramide. In diesem Fall würde jeweils ein Teil der ebenen Schnittfläche der halben Sammellinse in der Draufsicht zu sehen sein. Aus ferti gungstechnischen Gründen ist es sinnvoll die gemeinsame Schnittlinie am Umfang der beiden Gebilde, halbe Sammel linse und Pyramide, anders zu gestalten. So ist es bei spielsweise denkbar, daß in der Draufsicht entsprechend Fig. 2 der Umfang der Optik 1 in jedem 90°-Segment als ein Kreisbogen halten bleibt, wohingegen die Grundlinien der Pyramide entfallen. In der Seitenansicht würde dies einer girlandenförmigen Ausgestaltung entsprechen. Der umgekehrte Fall, bei dem entsprechend Fig. 2 die Grund linien der Pyramide erhalten bleiben und der kreisförmige Umfang der halben Sammellinse entfällt, ist genauso denk bar. In der Seitenansicht würde sich ebenfalls eine gir landenähnliche Form mit nach oben ausgebildeten Bögen er geben. Dies würde jedoch eine Verkleinerung der Seiten flächen 2 zur Folge haben. According to FIG. 2, the side surfaces 2 end at the base lines of the base surface of the pyramid. In this case, part of the flat cut surface of the half lens would be seen in plan view. For manufacturing reasons, it makes sense to design the common cutting line on the circumference of the two structures, half collecting lens and pyramid, differently. For example, it is conceivable that in the top view according to FIG. 2, the circumference of the optics 1 remains as a circular arc in each 90 ° segment, whereas the baselines of the pyramid are omitted. In the side view, this would correspond to a garland-shaped design. The reverse case, in which the base lines of the pyramid are retained in accordance with FIG. 2 and the circular circumference of half the converging lens is omitted, is also conceivable. In the side view, he would also give a gir-like shape with arches formed upwards. However, this would result in a reduction in the size of the side surfaces 2 .

Ausgestaltungen mit konkav oder konvex ausgeformten Seitenflächen 2 sind je nach Anforderung an die Optik 1 ebenso möglich.Designs with concave or convex side surfaces 2 are also possible, depending on the requirements of the optics 1 .

Claims

Beam coupler for coupling a plurality of light beams emerging from optical waveguides ( 3 ), in particular for coupling laser beams ( 5 ), consisting of an optical system which has the shape of a converging lens cut on its central plane with a pyramid applied centrally on the cutting surface, the number of Side surfaces ( 2 ) of the pyramid correspond to the number of light beams to be coupled, the ends of the optical waveguides each lie in a focus ( 4 ) assigned to a side surface ( 2 ) and a collimated light beam emerges from the curved surface of the half converging lens.