DE69300934T2

DE69300934T2 - Verlustloser Wellenleiterkoppler.

Info

Publication number: DE69300934T2
Application number: DE69300934T
Authority: DE
Inventors: David Fink
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1992-04-21
Filing date: 1993-04-21
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2013-04-22
Also published as: CA2094298C; EP0567322A1; JP2648433B2; ES2080590T3; JPH0645668A; EP0567322B1; US5212747A; CA2094298A1; DE69300934D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Laser und insbesondere einen optischen Koppler für einen Wellenleiter- Laser, der im Betrieb keine Kopplungsverluste in einem aus Laserstrahlung bestehenden Strahl einführt, der aus einem Ende des Laser-Wellenleiters austritt, sich zu einem Spiegel hin ausbreitet und zurück in den Wellenleiter oder, alternativ, in den Eingang eines anderen Wellenleiters reflektiert wird.
Ein besonderes Problem, auf das man beim Design von Lasern und insbesondere Wellenleiter-Lasern stößt, ist der Energieverlust, der mit dem Koppeln des Laserstrahles von einem Ende des Laser-Wellenleiters zu einem Spiegel und zurück in den Wellenleiter hinein assoziiert ist. Auf dieses Energieverlustproblem stößt man ebenfalls, wenn es erwünscht ist, einen Strahl von einem Laser-Wellenleiter in einen anderen hineinzukoppeln. Solche Energieverluste werden sowohl durch das Abschneiden des optischen Feldes beim Ausgang/Eingang des Wellenleiters als auch durch jede Fehlanpassung zwischen der Amplituden- und Phasenverteilung des zurückkehrenden Feldes und jener der Wellenleitermode verursacht. Falls solch ein Fehlanpassungsumstand vorhanden ist, wird der Wellenleiter wie ein Filter wirken und das sich ausbreitende Feld dämpfen, bis das Feld zur Wellenleitermode paßt. Diese Dämpfung des Feldes führt zu einem Energieverlust, der wiederum zu einer Verringerung der Laserausgangs leistung führt.
Die Höhe des Kopplungsverlustes als einer Funktion der Spiegelposition für gekrümmte Endspiegel mit einem Wellenleiter-Laser, der eine kreisförmige Bohrung aufweist, wurde zuerst von R.L. Abrams in 1972 (IEEE J. Quant. Elect. OE-8, 838, Nov. 1972) charakterisiert. Seit 1972 werden Wellenleiter-Laser mit quadratischer Bohrung in breiterem Ausmaß verwendet, aber im allgemeinen ist das Design der Kopplungsoptik im wesentlichen dasselbe geblieben.
Fig. 1 ist aus dem oben erwähnten Journalartikel (Seite 841) entnommen und zeigt den minimal möglichen Kopplungsverlust für einen optimal gekrümmten einzelnen Endspiegel, der eine Strecke Z von dem Ende eines Wellenleiters mit kreisförmiger Bohrung angeordnet ist. Der Parameter b ist gleich 0,325 D²/λ wobei D der Durchmesser der Wellenleiterbohrung und λ die Wellenlänge der Strahlung, die den Laserstrahl umfaßt, ist.
Beispielsweise wird b für einen Wellenleiter-Laser mit einem Bohrungsdurchmesser von 2 mm, wobei λ = 10,6 µm ist, gleich 12,3 cm. Wie man aus Fig. 1 entnehmen kann, muß der Spiegel um einen Kopplungsverlust unter 0,5% zu erreichen, näher als 0,37 mm oder weiter als 250 cm von dem Ende der Bohrung entfernt sein. Falls Verluste von 1,5% akzeptabel sind, muß der Spiegel näher als 1,2 cm oder weiter als 120 cm oder genau bei 12,3 cm angeordnet sein. Die zusätzlichen 2% an "Rundreiseverlust" (round trip loss), die der Laserstrahl erfährt (1,5% gegenüber 0,5% bei jedem Ende des Lasers), können zu einer bis zu 40%-igen Verringerung der Ausgangsleistung eines typischen Wellenleiter-Lasers führen. Wie man erkennen kann, kann die physikalische Konstruktion eines bestimmten Wellenleiter-Lasers oder andere Faktoren, wie z.B. eine mögliche Beschädigung der Optik durch das Hohlraumplasma, die Anordnung der Kopplungsoptik an einer optimalen Position, wie z.B. in der Nachbarschaft des Endes der Bohrung, untersagen. Folglich können die Kopplungsverluste, die der Laser erfährt, untragbar hoch sein. Weiterhin sind die bekannten Kopplungsverfahren nicht in der Lage, zwischen Lasern mit Bohrungen unterschiedlicher Größen zu koppeln. Ebenfalls müssen sich Wellenleiter- Laser, die mit bekannten Kopplungsverfahren hergestellt werden, vollkommen auf Wellenleiterverluste verlassen, um Modendiskriminierung zu erreichen.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorhergehenden Probleme werden überkommen und weitere Vorteile werden bereitgestellt mittels eines Laser- Kopplers, der gemäß der Erfindung konstruiert ist, wobei gut bekannte sphärischen Optik benützt wird, um einen Laserstrahl ohne Verluste durch Abschneiden und mit einer im wesentlichen identischen Feldverteilung der Lasermoden aus dem Laser-Wellenleiter heraus und wieder hinein zu koppeln, was einen Kopplungsverlust von im wesentlichen der Größe zur Folge hat.
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 8, 14, 15 und 16 definiert. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In einer der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform weist der Koppler der vorliegenden Erfindung einen gekrümmten Endreflektorspiegel auf, der die Austrittsebene eines Wellenleiter-Lasers mit einer im wesentlichen exakten Reproduktion der Ausgangsintensitäts- und Phasenverteilung des Wellenleiters zurück in den Wellenleiter abbildet. Der Koppler weist ebenfalls eine Linse auf, die nahe dem Wellenleiterausgang bei einem Punkt zwischen der Ausgangsöffnung und dem Spiegel angeordnet ist, wobei die Linse dem hindurchgehenden Strahl eine Phasenkompensation bereitstellt, derart, daß die Phase des zum Wellenleiter zurückgekehrten Strahles zu der des austretenden Strahles paßt. Folglich werden die Kopplungsverluste infolge des Abschneidens des zurückgekehrten Strahles bei dem Eingang zu der Wellenleiterbohrung und die Kopplungsverluste infolge einer Fehlanpassung der Phase des zurückkehrenden Feldes mit der der Wellenleitermode im wesentlichen auf 0 gebracht.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden präsentiert, wobei die phasenkompensierende Linse vorteilhafter Weise bei anderen Stellen als in der Nachbarschaft eines Wellenleiterausgangs positioniert ist, oder wobei keine Inversion der abgebildeten Feldverteilung auftritt, oder wobei bewirkt wird, daß der Strahl nicht auf das Zentrum einer Linse fokusiert wird, oder wobei ein Wellenleiter-Laser mit einem anderen Wellenleiter-Laser gekoppelt wird, der eine ähnlich dimensionierte oder eine nicht ähnlich dimensionierte Bohrung aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorhergehenden Aspekte und weitere Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung erklärt, in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, wobei zeigen:
Fig. 1 einen aus dem Stand der Technik entnommenen Graphen, der den Kopplungsverlust eines Wellenleiter-Lasers (in % ausgedrückt) entlang der Ordinate und einen Wert, der in Beziehung zu der Position von Endreflektorspiegeln steht, entlang der Abszisse für einen optimal gekrümmten Spiegel bei jeder Position zeigt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Endreflektor-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Wellenleiter-zu-Wellenleiter-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die gleiche Phasenkompensation bei jedem Ende aufweist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Wellenleiter-zu-Wellenleiter-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die ganze Phasenkompensation an einem Ende aufweist;
Fig. 5 eine schematischen Darstellung einer Wellenleiter-zu-wellenleiter-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um Wellenleiter mit Bohrungen, die nicht ähnlich dimensioniert sind, zusammenzukoppeln, wobei die Ausführungsform die ganze Phasenkompensation bei einem Ende aufweist;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer nicht-invertierenden Wellenleiter-zu-Wellenleiter-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die gleiche Phasenkompensation bei jedem Ende und eine Vergrößerung von 1 aufweist;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Endreflektor-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Vergrößerung, die größer als 1 ist;
Fig. 8 eine schematische Darstellung von noch einer weiteren Endreflektor-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem kombinierten Spiegel/Kompensator-Optikelement; und
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Endreflektor- Ausführungsform von Fig. 8 mit einer Apertur beim Zwischenfokus.

BESCHREIBUNGDER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS FORMEN

Diese Anmeldung steht in Beziehung zu unserer gleichzeitig anhängigen Anmeldung USSN. 07/871878 mit dem Titel "High Resolution Spectral Line Selector" (US-A-5287368).
Die vorliegende Erfindung macht vorteilhafter Weise Gebrauch von der Tatsache, daß die Energie, die von einem Ausgang eines Wellenleiter-Lasers abgestrahlt wird, sich nicht in alle Richtungen ausbreitet sondern auf einen kleinen Winkelbereich um die nominelle Ausbreitungsrichtung der Strahlung begrenzt ist. Folglich kann eine relativ kleine Linse (oder gekrümmter Spiegel) verwendet werden, um im we- sentlichen die ganze abgestrahlte Energie aufzufangen und dadurch ein Bild der Austrittsebene des Wellenleiters zu bilden, wobei die Plätze der Linse, des Wellenleiterausgangs und des Bildes über die üblichen, gut bekannten Linsengleichungen der geometrischen Optik in Beziehung stehen. Beispielsweise ist für einen Wellenleiter mit einer Bohrung von 2 mm, der bei einer Wellenlänge von 10,6 µm arbeitet, die ganze Energie im wesentlichen innerhalb eines Kegels von f/10 enthalten.
Falls im wesentlichen die ganze abgestrahlte Energie mittels einer Linse oder eines Spiegels aufgefangen und dazu verwendet wird, ein Bild zu formen, dann wird die Bildfeldverteilung im wesentlichen eine exakte maßstabsgerechte Replik der Objektfeldverteilung (ohne Beugungseffekte) sein, mit der Ausnahme der Addition einer sphärischen Phasenkrümmung. Die maßstabsgerechte Vergrößerung (M) ist gleich dem Verhältnis von Bildabstand zu Objektabstand, und die zusätzliche sphärische Phasenkrümmung besitzt einen divergenten Krümmungsradius von -Mf, wobei M die zuvor erwähnte maßstabsgerechte Vergrößerung ist, f die Brennweite der Linse oder des Spiegels ist, und das negative Vorzeichen die Divergenz anzeigt.
Es ist zweckdienlich, die Phasenkrümmung mittels des reziproken Wertes des divergenten Radius zu messen, so daß das Ergebnis von nacheinander angebrachten Phasenkrümmungen mittels algebraischer Addition gefunden werden kann. Die Phasenkrümmung ist proportional zu der Phasenabweichung des Feldes von einer Ebene. Das Ergebnis der oben beschriebenen Abbildung ist dann, das Feld zu skalieren und eine divergente Phasenkrümmung von -1/(Mf) anzubringen.
Indem man sowohl den Bild- als auch den Objektabstand so wählt, daß die Abstände dieselben sind, bringt man das Bildfeld dazu, mit dem Feld beim Wellenleiterausgang zusammenzupassen, ausgenommen einer Phasenkrümmung von -1/f. Falls eine Hälfte dieser Krümmung beim Wellenleiterausgang mittels der Verwendung einer kompensierenden Linse kompensiert wird, die dem Strahl eine Phasenkrümmung von +1/(2f) aufprägt, und falls die verbleibende Hälfte der Krümmung mittels einer ähnlichen Linse bei der Bildebene kompensiert wird, dann wird die endgültige Phasenverteilung keine addierte bzw. zusätzliche Phasenkrümmung aufweisen und wird im wesentlichen zu der der Orginalphasenverteilung beim Wellenleiterausgang passen. Der nächste Wellenleitereingang ist bei diesem Bildort angeordnet.
Eine Endreflektor-Ausführungsform des verlustlosen Kopplers der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Laser-Wellenleiter 10 besitzt einen Ausgang 12 einer Bohrung 14, die eine kreisförmige, quadratische oder andere zentral- bzw. punktsymmetrische Querschnittsgestalt aufweisen kann. Ein gekrümmter Spiegel 16 bildet den Ausgang 12 zurück in die Wellenleiterbohrung ab, wobei das Bild im wesentlichen eine exakte Reproduktion der Intensitätsvertei lung der Ausgangsstrahlung ist. Eine Kompensatorlinse 18 versieht die Strahlung mit einer Phasenkompensation, derart, daß die Phase der reflektierten Strahlung ebenfalls zu jener paßt, die ursprünglich beim Wellenleiterausgang 12 vorhanden war. Solch ein System kann als eine im wesentlichen perfekte Abbildungsvorrichtung ohne Beugungseffekte betrachtet werden, und koppelt folglich im wesentlichen perfekt zurück in die Wellenleitermode ein. Wie in Fig. 2 gesehen werden kann, sind der Spiegel 16 und die Linse 18 eine Strecke 2f voneinander entfernt angeordnet, wobei der Spiegel 16 eine Brennweite f aufweist. Folglich ist die Linse 18 so gewählt, daß sie eine Brennweite 2f aufweist.
Die zuvor erwähnte gleiche Aufspaltung der Phasenkompensation zwischen Ausgang und Eingang kann für solch einen Endspiegel 16 erforderlich sein, der in denselben Wellenleiter emmitiert-reflektiert-zurückkoppelt, da ja dieselbe physikalische Kompensatorlinse 18 für beide Kompensatororte verwendet wird. Wenn es jedoch erwünscht ist, Strahlung von einem Wellenleiter zu einem anderen zu koppeln, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, muß nur die Gesamtkompensation erhalten werden; d.h. sie kann zwischen den Ausgangs- und Eingangsorten in beliebiger Weise aufgespalten werden.
Wie in Fig. 3 gezeigt besitzt ein erster Wellenleiter einen Ausgangsstrahl, der mit einem zweiten Wellenleiter gekoppelt wird. Der Ausgang von Wellenleiter 10 und der Eingang von Wellenleiter 20 weisen eine im wesentlichen identische Öffnungsgröße und Gestalt auf.
Falls die Gestalt nicht zentralsymmetrisch ist (d.h. Inversionssymmetrie in Bezug auf ihr Zentrum aufweist), dann muß der Wellenleiter 20 relativ zum Wellenleiter 10 um 180º um seine Achse rotiert werden. Eine abbildende Linse 24 mit einer Brennweite f wird in einem Abstand 2f von jeder der kompensierenden Linsen 18 und 22 angeordnet, wobei jede von diesen eine Brennweite von 2f aufweist. Jede der Linsen 18 und 22 stellt eine im wesentlichen gleiche Menge bzw. gleichen Beitrag von Phasenkompensation zu dem Strahl bereit, was, in Verbindung mit der abbildenden Linse 24, zu einem Kopplungsverlust von im wesentlichen der Größe 0 zwischen dem Wellenleiter 10 und dem Wellenleiter 20 führt.
Falls die Phasenkompensation wie in Fig. 3 zu gleichen Teilen zwischen dem Ausgang und dem Eingang aufgeteilt wird, ist die Brennweite einer jeden der kompensierenden Linsen 18 und 22 im wesentlichen gleich zu dem Abstand zu der abbildenden Linse 24, so daß jede der kompensierenden Linsen im wesentlichen die ganze Strahlung von einem Wellenleiter durch das Zentrum der abbildenden Linse 24 hindurchfokusieren kann. Der erforderliche Durchmesser der abbildenden Linse wird folglich stark reduziert, da diese nicht länger größer sein muß als die Größe des sich frei ausbreitenden Wellenleiterstrahlungskegels, sondern gerade größer als die Fokuspunktgröße. Solch ein Fokusieren der Strahlung kann zu Aufheizeffekten innerhalb der abbildenden Linse führen, aber solche Effekte können vermieden werden, indem man andere Ausführungsformen der Erfindung benützt, wie im folgenden beschrieben werden wird. Ebenfalls können in solch einem Wellenleiter-zu-Wellenleiter-Koppler, im Gegensatz zu dem in Fig. 2 gezeigten Endspiegel-Koppler, die zwei kompensierenden Linsen so konstruiert sein, um eine andere als gleiche Aufteilung der Gesamtphasenkompensation bereitzustellen. Solch eine ungleiche Aufteilung kann ver wendet werden, um zu verhindern, daß der Strahl auf die abbildende Linse fokusiert wird.
Fig. 4 zeigt eine Variation des Wellenleiter-zu-Wellenleiter-Kopplers von Fig. 3, bei dem die ganze Phasenkompen sation in der Nachbarschaft des Wellenleiters 20 mittels einer kompensierenden Linse 26 erreicht wird, die eine Brennweite f aufweist, wodurch diese zu der Brennweite der abbildenden Linse 24 paßt. Wie gesehen werden kann, wird der aus Strahlung bestehende Strahl auf einen Punkt foku siert, der äquidistant zwischen der abbildenden Linse 24 und der kompensierenden Linse 26 liegt, wodurch das Fokusieren des Strahles auf die abbildende Linse 24 vermieden wird.
In Nicht-Ringlasersystemen muß der Koppler reziprok sein; d.h., er muß gleichermaßen gut für in entgegengesetzte Richtungen hindurchwandernde Strahlung funktionieren. Bei gleichen Bild- und Objektabständen ist die durch die Abbildung eingeführte sphärische Phasenkrümmung in beide Richtungen dieselbe, und so ist die in Fig. 3 und 4 addierte Phasenkompensation für beide Ausbreitungsrichtungen der Strahlung korrekt. Falls es erwünscht ist, zwischen Wellenleitern zu koppeln, die unterschiedliche Bohrungsdurchmesser oder -breiten besitzen, müssen die Objekt- und Bildabstände unterschiedlich sein, um die erforderliche Menge an Größenskalierung, M, bereitzustellen, wobei die Menge der erforderlichen Größenskalierung durch das Verhältnis der zwei Öffnungsdurchmesser gegeben ist.
Wie man in Fig. 5 sehen kann, bildet ein Strahl, der sich in Richtung einer Vergrößerung ausbreitet, angezeigt durch den Pfeil 30, ein Bild beim Eingang des größeren Leiters 28 mit einer divergenten Phasenkrümmung von -1/(Mf) und diese Krümmung wird dann durch die kompensierende Linse 32 mit der Brennweite Mf kompensiert. Beim Ausbreiten ent lang der anderen Richtung, d.h., von einem größeren Wellenleiter 28 zu dem kleineren Wellenleiter 10, erführt der Laserstrahl nun zuerst die konvergierende Phasenkrümmung von 1/(Mf) der kompensierenden Linse 32. Aber, wenn solch eine Phasenkrümmung um einen Faktor M in ihren Querdimensionen herunterskaliert wird, wenn sie mittels der Linse 34 auf den Eingang zum Wellenleiter 10 abgebildet wird, dann wird der Krümmungsradius um einen Faktor, der das Quadrat der Verkleinerung ist, verkürzt. Folglich besitzt das Bild eine konvergierende Phasenkrümmung von M²/(Mf) = M/f plus die durch die abbildende Linse 34 eingeführte divergente Phasenkrümmung von -M/f, was netto eine addierte Phasenkrümmung von 0 ergibt. Solch ein Koppler ist folglich reziprok, sogar wenn er zwischen Wellenleitern unterschiedlicher Größen koppelt. Dies gilt nicht nur, wenn die Kompensation wie in Fig. 5 total auf einem Wellenleiter erreicht wird, sondern auch, wenn die Gesamtkompensation in beliebige Anteile zwischen den zwei Orten aufgeteilt wird.
Die vorhergehenden Koppler bilden alle ein invertiertes Bild. Ein invertiertes Bild stellt kein Problem für irgendeinen der bekannten Wellenleiter-Laser dar, die im allgemeinen eine Ausgangsöffnung mit zentralsymetrischer Gestalt aufweisen, wie z.B. ein Wellenleiter-Laser mit einer kreisförmigen oder quadratischen Bohrung. Bestimmte Anwendungen könnten jedoch eine Bohrung erfordern, deren Öffnung eine nicht-symmetrische Gestalt aufweist, wie z.B. eine trapezförmige Öffnungsgestalt, oder einen Wellenleiter, der eine nicht-symmetrische Mode unterstützt.
Falls solch eine Anforderung erfüllt werden muß, kann man, wie in Fig. 6 gezeigt, zwei abbildenden Linsen verwenden, von denen jede groß genug ist, um im wesentlichen den ganzen Strahl einzufangen. Eine erste abbildende Linse 62 bildet ein Zwischenbild 63 des Wellenleiterausgangs 64, und eine zweite Linse 66 benützt das Zwischenbild als ein Objekt und bildet ein zweites Bild beim Wellenleitereingang 68. Zwischen dem Ausgang 64 und dem Eingang 68 können phasenkompensierende Linsen 70 und 72 in beliebiger Weise dimensioniert werden, und Vergrößerungen können eingeführt werden, sowohl von Wellenleiter zu Zwischenbild 63 oder von Wellenleiter zu Wellenleiter. Diese Ausführungsformen der Erfindung mit einem Zwischenbild vermeiden alle, den Laserstrahl innerhalb oder auf einer Oberfläche eines optischen Elementes zu fokusieren.
Um einen Einzel-Wellenleiter-Endreflektor bereitzustellen kann, wie in Fig. 7 gezeigt, ein ebener Spiegel 74 am Ort des Zwischenbildes plaziert werden, und dieselbe physikalische Linse 62 und Kompensator 70 kann verwendet werden, wie in der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform mit zwei Linsen und zwei Kompensatoren. Das Zwischenbild kann von jeder erwünschten Größe sein. Die erforderlichen Abstände zwischen diesen optischen Elementen sind eine Funktion von Brennweite und Vergrößerungsfaktor, wie in Fig. 7 gezeigt.
Solch ein nicht-invertierendes System stellt vorteilhafterweise einen wichtigen zusätzlichen Vorteil bereit: ein einzelner Kompensator kann am Ort des Zwischenbildes plaziert werden. Wie in Fig. 8 gezeigt, wird für eine weitere Einzel-Wellenleiter-Endreflektor-Ausführungsform der Erfindung der ebene Spiegel 74 von Fig. 7 zu einem gekrümmten Spiegel 76, wobei die Krümmung so gewählt ist, das sie eine konvergierende Phasenkrümmung von 2/(Mf) addiert. Dies hat zur Folge, daß der Spiegel 76 eine Brennweite von Mf/2 aufweist. Die durch diese Ausführungsform der Erfindung realisierten Vorteile sind zweifach: Die Anzahl der optischen Elemente des Kopplers wird verringert, da keine sepa rate Kompensatorlinse erforderlich ist, und es ist auch nicht erforderlich, ein optisches Element am Ende des Wellenleiters zu plazieren. Diese Ausführungsform stellt ein Kopplungsleistungsverhalten äquivalent zu dem von Fig. 7 bereit, aber mit weniger optischen Komponenten. Es sollte ebenfalls zur Kenntnis genommen werden, daß Kompensatoren an beliebigen oder allen der verfügbaren Kompensatororten plaziert werden können, nicht nur bei den Enden oder nur im Zentrum, und zusätzliche Relaislinsen mit der erforderlichen Phasenkrümmungskompensation können hinzugefügt und über beliebige oder alle der Bildpositionen verteilt werden.
Modifikationen dieser Erfindung können verwendet werden, um den Strahl aus dem Wellenleiter herauszubringen, ihn durch verschiedene optische Vorrichtungen hindurch zu manipulieren und ihn in einem angepaßten Zustand ohne Kopplungsverluste zum Wellenleiter zurückkehren zu lassen.
Schließlich sollte zur Kenntnis genommen werden, daß der Gebrauch der Erfindung nicht auf das infrarote oder optische Spektrum begrenzt ist, sondern das diese ebenso auf Wellenleiterkopplung in anderen Teilen des elektromagnetischen Spektrums (beispielsweise Mikrowellen) angewendet werden kann. Ähnliche Techniken können ebenfalls für Nicht- Wellenleiter-Laser-Anwendungen verwendet werden.
Zusätzlich wie in Fig. 9 gezeigt, kann Modendiskriminierung erreicht werden, indem man eine Apertur 80 um einen Fokus des Strahles herum anordnet. Solch eine Apertur 80 wird einen Verlust zum System hinzufügen, da sie etwas Energie von der fundamentalen Mode abschneiden wird, und das rekonstruierte Bild paßt nicht exakt, da etwas Energie abgeschnitten wurde, zu der Verteilung der Lasermoden. Es kann aber einen praktischen Ausgleich zwischen solch einem Kopplungsverlust und Modendiskriminierung geben, derart, daß die Verwendung solch einer Apertur 80 um Modendiskriminierung zu erreichen in einigen Lasersystemen wünschenswert sein kann.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung nur zur Illustration dienen, und daß Modifikationen davon Fachleuten einfallen können. Eine solche Modifikation kann sein, einen Spiegel durch eine Linse zu ersetzen oder eine Linse durch einen Spiegel, je nach den Anforderungen einer bestimmten Anwendung. Weiter können die Koppler beispielsweise in Ringlasern verwendet werden, wo der Strahl aus einem Ende herausgebracht wird, rundherum reflektiert und zurück in das entgegengesetzte Ende gelenkt wird. Wo Vielfach-Wellenleiter nicht koaxial sind, kann der reflektierende Spiegel unter dem erforderlichen Winkel positioniert werden, um den aus einem Wellenleiter austretenden Strahl in einen nachfolgenden Wellenleiter zu lenken. Dementsprechend ist diese Erfindung nicht so anzusehen, daß sie auf die hier offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern sie ist nur wie durch die beigefügten Ansprüche definiert begrenzt.

Claims

1. Ein Koppler, um einen aus Strahlung bestehenden Strahl, der von einem Ausgang (12) eines Laser- Wellenleiters (10) emittiert wurde, zurück in den Wellenleiter einzukoppeln, wobei die Strahlungsleistungsverteilung des wieder in den Wellenleiter eintretenden Strahles im wesentlichen eine Reproduktion der Strahlungsleistungs verteilung des aus dem Wellenleiter austretenden Strahles ist, mit:

einer Einrichtung (16), um den emittierten Strahl zurück auf den Ausgang des Wellenleiters abzubilden, wobei die Abbildungseinrichtung eine Phasenkrümmung zu dem Bild addiert; und

einer Einrichtung (18) zum Phasenkompensieren des Strahles, um die addierte Phasenkrümmung im wesentlichen zu eliminieren, wodurch ein minimaler Kopplungsenergieverlust erreicht wird.

2. Ein Koppler wie in Anspruch 1 definiert, worin die Abbildungseinrichtung ein gekrümmter Spiegel (16) mit einer Brennweite f ist, wobei die Phasenkompensiereinrichtung eine in der Nachbarschaft zum Ausgang des Wellenleiters ange ordnete Linse (18) ist, und worin der Spiegel eine Strecke 2f von der Linse entfernt angeordnet ist.

3. Ein Koppler wie in Anspruch 1 definiert, worin die Abbildungseinrichtung eine abbildende Linse (62) aufweist, die innerhalb des Pfades des Strahles angeordnet ist, und einen Spiegel (74), der bezüglich der abbildenden Linse so angeordnet ist, daß der Strahl darauf abgebildet und von dem Spiegel durch die abbildende Linse hindurch zurückreflektiert und auf den Ausgang des Wellenleiters abgebildet wird.

4. Ein Koppler wie in Anspruch 3 definiert, worin der abbildende Spiegel (74) optisch flach ist und die Phasenkompensiereinrichtung eine Phasenkompensationslinse (70) aufweist, die innerhalb des Pfades des Strahles zwischen der abbildenden Linse und dem Ausgang des Wellenleiters angeordnet ist.

5. Ein Koppler wie in Anspruch 3 definiert, worin der Spiegel (76) eine zum Phasenkompensieren des abgebildeten Strahles ausgewählte Krümmung besitzt&sub5;

6. Ein Koppler wie in Anspruch 4 definiert, worin die abbildende Linse (62) eine Brennweite f und einen damit assoziierten Vergrößerungsfaktor M besitzt, und worin

die phasenkompensierende Linse (70) in der Nachbarschaft zum Ausgang des Wellenleiters angeordnet ist;

die abbildende Linse (62) eine Strecke (1 + 1/M)f von der phasenkompensierenden Linse (70) entfernt angeordnet ist; und

der Spiegel (74) eine Strecke (M + 1)f von der abbildenden Linse (62) entfernt angeordnet ist, und worin der Brennpunkt der abbildenden Linse zwischen der abbildenden Linse und der phasenkompensierenden Linse liegt.

7. Ein Koppler wie in Anspruch 5 definiert, worin die abbildende Linse (62) eine Brennweite f und einen damit assoziierten Vergrößerungsfaktor M besitzt, und worin

der Spiegel (76) eine Brennweite Mf/2 besitzt;

die abbildende Linse (62) eine Strecke (1 + 1/M)f vom Ausgang des Wellenleiters entfernt angeordnet ist; und

der Spiegel (76) eine Strecke (M + 1)f von der abbildenden Linse entfernt angeordnet ist, und worin der Brennpunkt der abbildenden Linse zwischen der Linse und dem Spiegel liegt.

8. Ein Koppler, um einen aus Strahlung bestehenden Strahl von einem ersten Wellenleiter (10) mit einem zweiten Wellenleiter (20) zu koppeln, wobei der aus Strahlung bestehende Strahl von einem Ende des ersten Wellenleiters emittiert wird und in ein Ende des zweiten Wellenleiters eintritt, wobei die Strahlungsleistungsverteilung des in den zweiten Wellenleiter eintretenden Strahles im wesentlichen eine Reproduktion der Strahlungsleistungsverteilung des aus dem ersten Wellenleiter austretenden Strahles ist, und wobei der Koppler aufweist:

eine Einrichtung (24), um den Strahl vom ersten Wellenleiter auf den Eingang des zweiten Wellenleiters abzubilden, wobei die Abbildungseinrichtung eine Phasenkrümmung zu dem Strahl addiert; und

eine Einrichtung (26) zum Phasenkompensieren des abgebildeten Strahles, um die addierte Phasenkrürrimung im wesentlichen zu eliminieren, wodurch ein minimaler Energiekopplungsverlust erreicht wird.

9. Ein Koppler wie in Anspruch 8 definiert, worin die Phasenkompensiereinrichtung eine erste (18) und eine zweite (22) phasenkompensierende Linse aufweist, wobei jede von ihnen in der Nachbarschaft zu einem Ausgang oder Eingang eines jeweiligen Wellenleiters angeordnet ist, und wobei jede der phasenkompensierenden Linsen eine Phasenkompensation an dem Strahl anbringt, welche, zusammen, die addierte Phasenkrümmung im wesentlichen eliminiert.

10. Ein Koppler wie in Anspruch 9 definiert, worin die Abbildungseinrichtung eine abbildende Linse (24) mit einer Brennweite f aufweist, wobei die abbildende Linse zwischen den ersten (18) und den zweiten (22) phasenkompensierenden Linsen in einer Entfernung 2f von jeder der phasenkompensierenden Linsen angeordnet ist.

11. Ein Koppler wie in Anspruch 10 definiert, worin jede der ersten und der zweiten kompensierenden Linsen ungefähr eine Hälfte einer insgesamt erforderlichen Menge an Phasenkompensation bereitstellt.

12. Der Koppler wie in Anspruch 8 definiert, worin die Phasenkompensiereinrichtung eine phasenkompensierende Linse (26) aufweist, die in der Nachbarschaft zu einem Ausgang oder Eingang eines der ersten oder zweiten Wellenleiter angeordnet ist, und worin die Abbildungseinrichtung eine abbildende Linse (24) mit einer Brennweite f aufweist, wobei die abbildende Linse in einer Entfernung 2f von der phasenkompensierenden Linse und in einer Entfernung 2f von einem Eingang oder Ausgang des anderen der ersten oder zweiten Wellenleiter angeordnet ist.

13. Ein Koppler wie in Anspruch 8 definiert, worin die Abbildungseinrichtung eine abbildende Linse (34) mit einer Brennweite f und einem damit assoziierten Vergrößerungsfaktor M ist, wobei die Phasenkompensiereinrichtung eine phasenkompensierende Linse (32) mit einer Brennweite Mf ist, und worin

die abbildende Linse in einer Entfernung (1 + 1/M)f vom Ausgang des ersten Wellenleiters (10) angeordnet ist; die phasenkompensierende Linse (32) in der Nachbarschaft zum Eingang des zweiten Wellenleiters (28) und in einer Entfernung (M + 1)f von der abbildenden Linse angeordnet ist; und worin

der Wert M in Beziehung zu einem Verhältnis der Querschnittsdimensionen des ersten und des zweiten Wellenleiters steht.

14. Ein Laser-Koppler mit:

einem Spiegel (16), um einen aus Strahlung bestehenden Strahl, der von einem Ausgang eines Wellenleiters emittiert wurde, zurück in den Ausgang des Wellenleiters zu reflektieren; und

einer kompensierenden Linse (18), die innerhalb des Pfades des Strahles angeordnet ist, wobei die kompensierende Linse eine Brennweite besitzt, die dem Strahl eine Phasenkompensation liefert, um die durch den Spiegel zu dem Strahl addierte Phasenkrümmung im wesentlichen zu eliminieren, wodurch die Phase des reflektierten Strahles beim Ausgang des Wellenleiters im wesentlichen gleich zur Phase des emitterten Strahles beim Ausgang ist.

15. Ein Koppler, um einen aus Strahlung bestehenden Strahl, der von einem Ausgang eines ersten Wellenleiters (10) emittiert wurde, mit einem Eingang eines zweiten Wellenleiters (20) zu koppeln, mit:

einer ersten phasenkompensierenden Linse (18), die in der Nachbarschaft zum Ausgang des ersten Wellenleiters angeordnet ist, wobei die erste phasenkompensierende Linse desweiteren innerhalb des Pfades des vom ersten Wellenleiter emitierten Strahles angeordnet ist;

einer zweiten phasenkompensierenden Linse (22), die innerhalb des Pfades des Strahles angeordnet ist, wobei die zweite phasenkompensierende Linse desweiteren in der Nachbarschaft zum Eingang des zweiten Wellenleiters angeordnet ist; und

einer ersten abbildenden Linse (24), die innerhalb des Pfades des Strahles angeordnet ist, wobei die abbildende Linse zwischen den ersten und den zweiten phasenkompensierenden Linsen angeordnet ist, um den Ausgang des ersten Wellenleiters auf den Eingang des zweiten Wellenleiters abzubilden, wobei die erste abbildende Linse eine Phasenkrümmung zu dem Bild addiert, wodurch die ersten und zweiten phasenkompensierenden Linsen zusammen die addierte Phasenkrümmung im wesentlichen eliminieren.

16. Ein Koppler, um einen aus Strahlung bestehenden Strahl, der von dem Ausgang eines ersten Wellenleiters (10) emittiert wurde, mit einem Eingang eines zweiten Wellenleiters (28) zu koppeln, wobei die Strahlungsleistungsverteilung des in den zweiten Wellenleiter eintretenden Strahles im wesentlichen eine Reproduktion der Strahlungsleistungsverteilung des aus dem ersten Wellenleiter austretenden Strahles ist, wobei der erste Wellenleiter eine Öffnungsgröße besitzt, die verschieden von der Öffnungsgröße des zweiten Wellenleiter ist, und wobei der Koppler aufweist:

eine abbildende Linse (34), die innerhalb des Pfades des Strahles angeordnet ist, um den Ausgang des ersten Wellenleiters auf den Eingang des zweiten Wellenleiters abzubilden, wobei die abbildende Linse eine Brennweite f und einen damit assoziierten Vergrößerungsfaktor M besitzt, und wobei die abbildende Linse desweiteren eine sphärische Phasenkrümmung zu dem Bild des Ausgangs addiert;

eine phasenkompensierende Linse (32), die in der Nachbarschaft zum Eingang des zweiten Wellenleiters angeordnet ist, wobei die phasenkompensierende Linse eine Brennweite Mf besitzt, und wobei die phasenkompensierende Linse die von der abbildenden Linse zum Bild des Ausgangs addierte sphärische Phasenkrümmung kompensiert; und

wobei die abbildende Linse in einer Entfernung (1 + 1/M)f vom Ausgang des ersten Wellenleiters entfernt angeordnet ist, und wobei die phasenkompensierende Linse in einer Entfernung (M + 1)f von der abbildenden Linse entfernt und in der Nachbarschaft zum Eingang des zweiten Wellenleiters angeordnet ist.