DE60201527T2

DE60201527T2 - Wärmekompensierte optische Vorrichtung

Info

Publication number: DE60201527T2
Application number: DE60201527T
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Maestle
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2022-07-06
Also published as: US6950595B2; EP1382982B1; DE60201527D1; US20040033046A1; EP1382982A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abschwächvorrichtung zum Abschwächen der Intensität eines Lichtstrahls.
US-A 5,325,459 beschreibt eine optische Abschwächvorrichtung mit einem Trägerelement und einem teilweise absorbierenden Element, das auf dem Trägerelement angebracht ist. Das Trägerelement ist mit einem Quarzglas (z. B. BK7 von der Firma Schott) versehen, das mit einem teilweise absorbierenden Glas neutraler Dichte beschichtet ist.
US 3,746,429 beschreibt eine optische Abschwächvorrichtung mit einem Trägerelement und einem teilweise absorbierenden Element, das auf dem Trägerelement angebracht ist. Die Lehre daraus bietet den einleitenden Teil zu Anspruch 1.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte optische Abschwächvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst und vorteilhafte Ausführungen werden durch die abhängigen Ansprüche gezeigt.
Beim Abschwächen der Intensität eines Lichtstrahls, könnte eine große Menge an Energie zumindest aus der Zone, auf welche der Lichtstrahl trifft, abzuleiten sein. Gemäß der Erfindung weist die optische Abschwächvorrichtung ein Trägerelement auf, welches eine Kompensierung der lokalen Erwärmung in dem zumindest teilweise absorbierenden Element vorsieht. Daher wird die maximale Temperatur, welche durch das teilweise Absorbieren des Lichtstrahls verursacht wird, reduziert. Dies erlaubt es, die optische Vorrichtung für Hochenergieapplikationen zu verwenden. Darüber hinaus können Schäden, verbleibende Streuung, Änderungen von optischen Eigenschaften durch ein lokales Erhitzen vermieden werden.
Der Verlauf der Temperaturkurve in dem Trägerelement der Erfindung kann in einem kleinen Temperaturbereich ohne jedes vernünftige Maximum vorgesehen werden. Das Erhitzen des Trägerelements kann beinahe einheitlich vorgesehen werden. Daher kann der Temperaturgradient zwischen dem Trägerelement und dem absorbierenden Element niedrig vorgesehen werden.
Das Trägerelement hat eine kristalline Struktur, welche es ermöglicht, eine große Menge an Energie abzuleiten. Die kristalline Struktur ist vorzugsweise versehen mit mindestens einer Orientierung im Raum mit einer vorteilhaften Wärmeleitfähigkeit zum Ableiten einer großen Energiemenge. Daher kann zumindest in dem Bereich der optischen Vorrichtung, auf welchen der optische Strahl trifft, die lokale Erwärmung reduziert werden.
Das Trägerelement ist vorzugsweise aus mono- oder polykristallinen Materialien gefertigt wie SiO₂, Abwandlungen von SiO₂, Saphir, Silikon und Oxydkeramiken sowie chlorinen oder fluorinen Salzkristallen. All diese Materialien haben mindestens eine kristalline Struktur und damit eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die Wärmeableitung des Trägerelements erhöht durch Vorsehen eines Trägerelements mit einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit λ größer als 2 W/mK. Im Gegensatz zu früheren Abschwächvorrichtungen, bei denen das Trägerelement aus amorphem Material ist (z. B. Quarzglas) mit einer maximalen Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 1,5 W/mK, wird die Erhöhung der Wärmeableitung ermöglicht.
Weiter zu einer vorteilhaften Ausführung: die Ausdehnung des Trägerelements aufgrund der Wärme ist gleich oder zumindest teilweise angepasst an die Ausdehnung des absorbierenden Elements, welche durch die absorbierte Hitze verursacht wird. Daher wird die Schnittstellenspannung minimiert und die Wärmeleitung zwischen dem absorbierenden Element und dem Trägerelement bleibt nahezu ohne Spannung zwischen den Elementen.
In einer weiteren Ausführung ist das Trägerelement aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen Übertragung, in einem Spektralbereich des Lichtstrahls zwischen 1,2 bis 1,7 μm. Aufgrund dieser Kombination der Eigenschaften wird die lokale Temperatur der Einfallzone reziprok proportional zu der Wärmeleitfähigkeit reduziert. Daher wird eine einheitliche Temperaturverteilung in der optischen Vorrichtung erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind das Trägerelement und das absorbierende Element im Wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge eines optischen Signals und daher weit anwendbar.
Das teilweise absorbierende Element weist zumindest eine Schicht auf, vorzugsweise eine Metallschicht, welche auf das Trägerelement mit variierender Dicke aufgetragen ist. Vorteilhaft sind kombinierte Materialien des Trägerelements und absorbierenden Elements mit Eigenschaften, welche einander unterstützen und die Ableitung einer großen Energiemenge ermöglichen.
In einer vorteilhaften Ausführung sind das Trägerelement und das zumindest teilweise absorbierende Element beide vorzugsweise identisch zu einer optischen Achse der Elemente positioniert, um die Abschwächung zu optimieren. Daher können die optischen Eigenschaften unabhängig sein oder nahezu ohne jeden Einfluss von dem Polarisationszustand des einfallenden Strahls.
Ein ausrichtendes Element ist vorzugsweise auf zumindest einer Seite des Trägerelements und des zumindest teilweise absorbierenden Elements vorgesehen. Dies ermöglicht zum Beispiel, wenn auf der Seite des Einfall- und Ausfallstrahls in Bezug auf die optische Vorrichtung vorgesehen, den Einfallstrahl zu dem Trägerelement und den Ausfallstrahl zu der Ausgabefaser oder einem Übertragungselement auszurichten.
Weiterhin wird, gemäß einer vorteilhaften Ausführung, zumindest das Trägerelement durch eine Kühlvorrichtung gekühlt zum Reduzieren der Temperatur des absorbierten Energie. Die Kühlvorrichtung kann nur oder zusätzlich mit einem Trägerelement mit einer kristallinen Struktur oder einer Struktur mit Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/mk versehen sein. Da die Kühlvorrichtung aktiv oder passiv agieren kann, kann die Ableitung der Wärme erhöht werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführung weist die Kühlvorrichtung verschiedene Komponenten wie Heizrippen, Kühlrippen, Düsen für gekühlte Luft oder Peltier Kühler auf, welche alleine vorgesehen sein können oder in jeder Kombination in Bezug auf die Anwendung der optischen Vorrichtung.
Die optische Abschwächvorrichtung kann mit einem zumindest teilweise übertragenden Trägerelement versehen sein und einem zumindest teilweise reflektierenden oder abschwächenden absorbierenden Element für den einfallenden Lichtrahl.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Andere Aufgaben und viele der begleitenden Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden gewürdigt und besser verständlich durch Hinzuziehen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktional gleich oder ähnlich sind, werden mit den-/demselben Referenzzeichen bezeichnet.
1 zeigt eine schematische Sicht einer vorteilhaften Ausführung einer optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 kann eine optische Abschwächvorrichtung 11 gekoppelt werden zwischen einer Ausgabequelle 12, z. B. einer Eingabefaser und einer Ausgabefaser 13. Ein Lichtstrahl 16 wird von der Ausgabequelle 12 ausgegeben und wird auf eine Scheibe 15 der optischen Abschwächvorrichtung 11 gelenkt. Vorzugsweise ist eine erste Linse 21 oder ein Linsensystem zwischen der Ausgabequelle 12 und der Scheibe 15 vorgesehen zum Konvertieren des Lichtstrahls 16 in ein paralleles Licht. Eine zweite Linse 25 oder ein Linsensystem mit einem Bereich zum Sammeln des abgeschwächten Teils des Lichtstrahls 16 ist vorzugsweise vorgesehen und fokussiert den gesammelten Teil als ein Ausgabestrahl 19 in die Ausgabefaser 13.
Die Scheibe 15 weist ein Trägerelement 17 auf mit einem rechteckigen Querschnitt und einem teilweise absorbierenden Element 23. Zumindest eine Seite der Scheibe 15 ist beschichtet oder bedampft mit dem zumindest teilweise absorbierenden Element 23. Das zumindest teilweise absorbierende Element 23 weist vorzugsweise zumindest eine Metallschicht auf. Das zumindest teilweise absorbierende Element 23 kann mit einer konstanten Dicke bestimmt werden oder mit einer zunehmenden, abnehmenden und/oder variierenden Dicke in verschiedenen Richtungen.
Die gezeigte Scheibe 15, welche das Trägerelement 17 und das teilweise absorbierende Element 21 aufweist, ist nicht auf diese Form begrenzt und wird im Hinblick auf verschiedene Formen und weitere Möglichkeiten zum Vorsehen der Dicke des zumindest teilweise absorbierenden Materials detaillierter in US-A 5,325,459 beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird. Es ist darüber hinaus klar, dass die Form und Querschnitte des teilweise absorbierenden Elements 23 und des Trägerelements 17 nicht begrenzt ist auf die beschriebenen Ausführungen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung weist die optische Vorrichtung 11 zum Abschwächen der Lichtstrahlen 16 in dem Spektralbereich zwischen 1,2 und 1,7 μm ein Trägerelement 17 aus Saphir auf, welches im Wesentlichen einheitliche Abschwächung über den Spektralbereich hat. Der Brechungsindex ist ungefähr 1,74 an der entsprechenden Wellenlänge und die Wärmeleitfähigkeit ist ungefähr 25 W/mk. Im Unterschied zum Stand der Technik, wo in dem Lichtstrahl mit einer Energie von 2 W eine lokale Über-Temperatur von 300 K verursacht wird, erreicht die vorliegende Erfindung ein Reduzieren der lokalen Über-Temperatur auf unter 20 K. Daher sind Änderungen der optischen Eigenschaften des Filters minimiert genauso wie das Beschädigen oder Zerstören des Trägerelements und absorbierenden Elemenst 17, 23 aufgrund von thermischem Überhitzen eliminiert wird.
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist die Wahl von mono- oder polykristalliner Struktur wie SiO₂, Abwandlungen von SiO₂, Keramikoxyde und Chlor – und Fluorsalze. Zum Beispiel ist der Brechungsindex von SiO₂ im Bereich der gewünschten Wellenlänge 1,53. Die Wärmeleitfähigkeit ist in dem Bereich zwischen 6,8 bis 11,3 W/mK. Die Eigenschaften des Trägerelements 17 aus mono- oder polykristallinen Strukturen wie Silikon oder vergleichbaren Substraten haben z. B. einen Brechungsindex 3,48 und die Wärmeleitfähigkeit in dem Bereich von 159 W/mK.
Die gemeinsame Eigenschaft des vorteilhaften Trägerelements 17 ist Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/mK und vorzugsweise eine hohe Übertragungsrate, zumindest in dem Spektralbereich zwischen 1,2 und 1,7 μm.
Eine Kühlvorrichtung 29 kann an das optische Element 15 angebracht werden. Die Kühlvorrichtung 19 ist in direktem Kontakt mit zumindest dem Trägerelement 17. Die Kühlvorrichtung 29 kann von der optischen Vorrichtung 15 teilweise oder vollständig umgeben sein. Nach einer Ausführung ist die Kühlvorrichtung vorzugsweise auf einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie z. B. Aluminium oder einer auf Aluminium basierenden Legierung. Die Kühlvorrichtung 29 kann zusätzlich mit einem flüssigen Medium wie z. B. Luft gekühlt sein.

Claims

Eine Abschwächvorrichtung, die angepasst ist zum Abschwächen von optischer Energie eines Lichtstrahls (16) mit – einem zumindest teilweise absorbierenden Element (23), das angepasst ist, die optische Energie des Lichtstrahls (16) zu empfangen und abzuschwächen, und– – einem Träger (17) zum Tragen des zumindest teilweise absorbierenden Elements (23) auf mindestens einer Seite, gekennzeichnet dadurch, dass – der Träger (17) mit einem Material versehen ist, das eine kristalline Struktur hat zum Vorsehen einer Ableitung von Energie einer lokalen Erhitzung in dem zumindest teilweise absorbierenden Element (23), welche aus der Absorption des Lichtstrahls (16) resultiert, und dass der Träger (17) und das zumindest teilweise absorbierende Element (23) beide identisch positioniert sind bezüglich einer optischen Achse der Elemente, so dass die optischen Eigenschaften unabhängig sind von dem Polarisationszustand des einfallenden Strahls.
Die Abschwächvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die kristalline Struktur eine monokristalline oder polykristalline Struktur ist.
Die Abschwächvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der oben genannten Ansprüche, wobei der Träger (17) mit einem Material versehen ist, das eine Wärmeleiftähigkeit von mindestens 2 W/mK hat.
Die Abschwächvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der oben genannten Ansprüche, wobei die Ausdehnung aufgrund der Hitze des zumindest teilweise tragenden Elements (17) gleich oder fast gleich ist zu derjenigen des absorbierenden Elements (23).
Die optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der oben genannten Ansprüche, wobei das zumindest teilweise absorbierende Element (23) zumindest eine Schicht aufweist, welche auf dem Träger (17) aufgetragen oder aufgedampft ist, mit konstanter, mit einer zunehmenden, abnehmenden oder variierenden Dicke.
Die Abschwächvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der oben genannten Ansprüche, wobei die optische Achse des Trägers (17) und das zumindest teilweise absorbierende Element (23) beide identisch positioniert sind zu einer optischen Achse des einfalllenden Strahls.
Die Abschwächvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der oben genannten Ansprüche, wobei die Abschwächvorrichtung ein Faserabschwächer (11) ist, der Licht zumindest teilweise von einer Eingabefaser (12) an eine Ausgabefaser (13) koppelt.
Die Abschwächvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der oben genannten Ansprüche mit zusätzlich einer Kühlvorrichtung (29), die angepasst ist zum Kühlen des zumindest teilweise absorbierenden Elements (23) und/oder des Kühlelements (17).
Die Abschwächvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Kühlvorrichtung (19) zumindest eines aufweist: Kühlrippen, Heizripppen, Düsen für gekühlte Luft oder Peltier Kühler.
Die Abschwächvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Kühlvorrichtung (29) aktiv oder passiv gekühlt wird.