EP4565910A1 - Vorrichtung zum einkoppeln eines laserstrahls in eine mehrfachclad-faser und optisches system - Google Patents

Vorrichtung zum einkoppeln eines laserstrahls in eine mehrfachclad-faser und optisches system

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EP4565910A1
EP4565910A1 EP23720158.7A EP23720158A EP4565910A1 EP 4565910 A1 EP4565910 A1 EP 4565910A1 EP 23720158 A EP23720158 A EP 23720158A EP 4565910 A1 EP4565910 A1 EP 4565910A1
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EP
European Patent Office
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birefringent optical
clad fiber
wedge
polarization
laser beams
Prior art date
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Pending
Application number
EP23720158.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Julian Hellstern
Tina GOTTWALD
Francesco D'ANGELO
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Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4565910A1 publication Critical patent/EP4565910A1/de
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

Definitions

  • the present invention relates to a device for coupling a laser beam into a multi-clad fiber.
  • the invention also relates to an optical system comprising such a device and a multi-clad fiber.
  • a multi-clad fiber can be used.
  • the starting point can be, for example, a laser that is used to generate the laser beam.
  • the target location can be, for example, a processing optics that shapes the laser beam and then applies the laser beam to a workpiece in order to process it.
  • the machining process can be, for example, a welding process or a cutting process.
  • Different machining processes usually have different requirements for characteristic laser beam parameters, for example the focus diameter, the intensity distribution, the beam profile, etc.
  • the laser beam components that are coupled into the inner core or the outer core of a multi-clad fiber provide different beam characteristics and beam qualities in the coupled-out laser beam.
  • the laser beam is split into two partial laser beams by a mechanically retractable wedge switch, which are coupled into different cores of the double-clad fiber.
  • the wedge switch for adjusting the beam quality is difficult to manufacture and the distribution of power between the inner core and the outer core is influenced by changes in the position of the laser beam on the wedge switch (misalignment sensitivity).
  • US10914902 describes various variants of coupling a laser beam into a double-clad fiber, in which polarization splitting of an incident laser beam is achieved using birefringent elements and the two resulting partial laser beams are imaged into different cores of the double-clad fiber.
  • the invention is based on the object of providing an improved device for coupling a laser beam into a multi-clad fiber and a corresponding optical system.
  • a device for coupling a laser beam comprising: a beam switch for dividing the laser beam into a plurality of partial laser beams, the beam switch comprising at least two birefringent optical wedges and at least one polarization-influencing device with an adjustable polarization-influencing effect, which is located between the birefringent optical Wedges are arranged, as well as coupling optics for coupling the partial laser beams emerging from the beam splitter into the multiple clad fiber, the coupling optics being designed to couple at least two of the partial laser beams emerging from the beam splitter into at least two different light-conducting cores of the multiple clad fiber.
  • the birefringent optical wedges are used to divide the laser beam into several partial laser beams. This takes advantage of the fact that an ordinary and an extraordinary partial laser beam are formed in a birefringent optical wedge, which have a difference angle when emerging from a beam exit surface of the birefringent optical wedge.
  • the two partial laser beams emerging from the birefringent wedge are linearly polarized and have a mutually perpendicular polarization direction.
  • the birefringent optical wedges are preferably a uniaxial crystal, for example calcite or quartz.
  • the optical axis of the crystal is typically aligned perpendicular to the optical axis of the beam splitter.
  • a beam entry surface or a beam exit surface of the birefringent optical wedges is typically also aligned perpendicular to the optical axis of the beam switch.
  • the polarization direction of the two linearly polarized partial laser beams that emerge from the birefringent optical wedge is influenced or manipulated, so that the weighting of the s- and p-polarized portions of the partial beams is changed.
  • a respective partial laser beam is therefore split again into an ordinary and an extraordinary partial laser beam.
  • a total of a maximum of four partial laser beams can be generated, which are aligned at several different angles with respect to the optical axis of the beam splitter.
  • the angular distribution of the partial laser beams is converted into a spatial distribution on the face of the multi-clad fiber.
  • the exit angles of the partial laser beams from the beam switch are coordinated with the coupling optics and lead to spatial offsets in the focal plane of the coupling optics, which are coordinated with the geometry of the multiple clad fiber so that the partial laser beams are coupled into the multiple clad fiber at the positions of the light-conducting cores .
  • the coupling optics can have one or more optical elements.
  • the coupling optics typically includes at least one focusing optical element for focusing the partial laser beams in a focal plane on which the end face of the multiple clad fiber into which the laser beam is to be coupled is located.
  • the polarization-influencing device can be, for example, a rotatable delay element in the form of a delay plate, for example in the form of an X/2 plate or an X/4 plate.
  • a retardation plate generally causes a phase shift between two perpendicular plates Polarization directions.
  • An X/2 plate causes a rotation of the polarization direction of a respective linearly polarized partial beam;
  • an X/4 plate can convert a respective linearly polarized partial beam into a circularly or elliptically polarized partial beam.
  • the polarization-influencing device is designed as a polarization-rotating device, for example as a rotatable A/2 plate.
  • a rotatable X/4 plate typically only allows the setting of a division ratio in a reduced range of values, for example between 50% and 100%.
  • Splitting the power of the laser beam with the help of the polarization-influencing device(s) has the advantage over the use of a mechanically retractable wedge switch that no scattered light and no diffraction effects occur on the edge of the mechanically retractable wedge.
  • the distribution of the power of the laser beam between the different light-conducting cores can also be made variable by adjusting the polarization-influencing effect of the polarization-influencing device. For example, in the event that the polarization-influencing device is set so that it has no polarization-influencing effect, a number of partial laser beams can be generated that is half as large as the maximum possible number of partial laser beams that can be generated with the beam splitter (e.g. two instead of four partial laser beams when using two birefringent optical wedges).
  • light-conducting cores are understood to mean cores that are spatially positioned differently or that are spatially separated from one another.
  • the number of polarization-influencing devices corresponds to the number of degrees of freedom when coupling into the multi-clad fiber. It is advantageous if the number of polarization-influencing devices corresponds to the number of light-conducting cores of the multi-clad fiber minus one. In this case, between 0% and 100% of the power of the laser beam can usually be coupled into a respective light-conducting core of the multi-clad fiber.
  • the multi-clad fiber is designed to be rotationally symmetrical and has an inner light-conducting core and at least one annular light-conducting core and the coupling optics are designed to have two partial laser beams emerging from the beam splitter with different polarization states, the direction of propagation of which corresponds to a beam direction of the laser beam entering the beam splitter , to couple into the inner core of the multi-clad fiber.
  • the multi-clad fiber can be designed in different ways, for example in the form of a linear multi-clad fiber, in which several light-conducting cores are arranged next to one another, or in the form of a lattice multi-clad fiber, in which several cores are arranged in rows and columns .
  • the multi-clad fiber is a rotationally symmetrical multi-clad fiber that has an inner, typically circular light-conducting core and one or more annular light-conducting cores that surround the inner light-conducting core.
  • intermediate claddings which are not light-conducting, are attached between the light-conducting cores.
  • the radially outermost light-conducting core can also be surrounded on its outside by a non-light-conducting cladding, which may be followed by a layer of glass or the like.
  • the two partial laser beams that are coupled into the inner core of the multi-clad fiber are those partial laser beams that are formed at the exit of the first birefringent optical wedge and maintain their state of polarization as they pass through the beam switch.
  • the different polarization states are therefore typically the linear polarization states aligned perpendicular to one another of the two partial laser beams emerging from the first birefringent optical wedge.
  • the beam switch is typically designed in such a way that the deflection angles of the two partial laser beams, which maintain their state of polarization when passing through the beam switch, just compensate for each other when passing through the two or more birefringent optical wedges.
  • the two emerging partial laser beams are also aligned parallel to the optical axis of the beam splitter, but run laterally offset from the incident laser beam.
  • the coupling optics typically focus these two partial laser beams on the optical axis of the coupling optics, on which the inner core of the multi-clad fiber is positioned.
  • the other partial laser beams emerging from the beam switch which are not aligned parallel to the incident laser beam, are coupled into the annular light-conducting core(s) of the multi-clad fiber.
  • the optical axis of the coupling optics can basically correspond to the optical axis of the beam switch. As a rule, however, it is advantageous if the optical axis of the coupling optics is laterally offset from the optical axis of the beam switch.
  • the lateral offset of the optical axis of the coupling optics to the optical axis of the beam switch typically essentially corresponds to the lateral offset of the two partial laser beams, in which the deflection angles just compensate for each other, to the incident laser beam.
  • the device is designed to couple one or more pairs of partial laser beams with two different polarization states into a respective light-conducting core of the multi-clad fiber.
  • the two polarization states are typically linear, mutually perpendicular polarization states, which are hereinafter referred to as s-polarization and p-polarization for simplicity.
  • the pairwise coupling of partial laser beams with mutually perpendicular polarization states enables polarization-independent coupling of the partial laser beams into the respective light-conducting core.
  • Such a type of coupling is possible in particular when using a rotationally symmetrical multiple clad fiber, in which a partial laser beam can be coupled into the respective annular cores at two positions opposite in the radial direction.
  • the number of birefringent optical wedges at least corresponds to the number of light-conducting cores of the multi-clad fiber.
  • the number of wedges can be one lower than the number of light-conducting cores of the multi-clad fiber.
  • the beam switch has a first number of birefringent optical wedges oriented in the same way and a second number of birefringent optical wedges that are oriented opposite to the first number of birefringent optical wedges, the sum of the wedge angles of the first number of birefringent optical wedges being the Sum of the wedge angles corresponds to the second number of birefringent optical wedges.
  • the same orientation of two or more birefringent optical wedges means that their wedge tips are positioned on the same side of the optical axis or the beam direction of the laser beam.
  • An opposite orientation is understood to mean that the wedge tips of the respective birefringent optical wedges are arranged on opposite sides with respect to the optical axis.
  • the birefringent optical wedges are typically made of the same birefringent material and the optical axes of the birefringent optical wedges are aligned parallel to one another.
  • the birefringent optical wedges do not necessarily have to have a wedge tip, provided that the laser beam or the partial laser beams do not pass through it.
  • the wedge angle is understood to mean the angle at which the beam entry surface and the beam exit surface are arranged relative to one another.
  • Coupling of the two partial laser beams into the inner light-conducting core of the multi-clad fiber can also be achieved in the event that different wedge angles are used.
  • the beam switch has exactly two birefringent optical wedges that are oriented in opposite directions and have the same wedge angle.
  • the multi-clad fiber is typically a rotationally symmetrical double-clad fiber that has an inner light-conducting core and exactly one annular light-conducting core.
  • the two partial laser beams emerging from the beam switch whose propagation direction corresponds to the beam direction of the laser beam, are coupled into the light-conducting inner core and the other two partial laser beams that emerge from the beam switch are in the light-conducting annular core coupled with the double-clad fiber.
  • the two birefringent optical wedges are typically identical and rotated by 180° relative to each other, so that a beam exit surface of the first birefringent optical wedge in the beam path and a beam entry surface of the second birefringent optical wedge in the beam path are aligned parallel to one another.
  • the beam switch has a number N of birefringent optical wedges with the same orientation, which are preferably arranged one after the other in the beam path of the laser beam.
  • N the number of identically oriented birefringent optical wedges
  • the beam switch it is fundamentally possible for the beam switch to consist of the number N of birefringent optical wedges with the same orientation or for the beam switch to have no further birefringent optical wedges. In this case, there can be a polarization-influencing wedge between two consecutive birefringent optical wedges in the beam path and, if necessary, in front of the first birefringent optical wedge in the beam path Facility be arranged.
  • the beam switch has an oppositely oriented birefringent optical wedge in front of the number N of optical wedges with the same orientation in the beam path of the laser beam.
  • the oppositely oriented birefringent wedge enables compliance with the condition described above that the sums of the wedge angles should be equal.
  • the provision of the oppositely oriented optical wedge can be dispensed with, since in this case this does not cause any splitting, that is, in this case, with the N + 1 wedges of the beam splitter a maximum of 2 N partial laser beams can be generated.
  • the oppositely oriented optical wedge can be replaced by an optical wedge made of a non-birefringent material, for example an amorphous material. If its wedge angle meets the condition stated above, after passing through the beam switch, one of the partial laser beams is aligned parallel to the beam direction of the laser beam entering the beam switch and is coupled into the core of the multiple clad fiber.
  • the number N of identically oriented birefringent optical wedges has an identical wedge angle and the oppositely oriented birefringent optical wedge has a wedge angle which corresponds to N times the identical wedge angle.
  • a polarization-influencing device is arranged between two of the birefringent optical wedges.
  • the maximum number of partial laser beams that can be generated with a number of N birefringent optical wedges is 2 N.
  • a maximum number of 2 N + 1 partial laser beams can be generated using the beam switch, half of which have a first linear polarization state (s-polarization) and the other half has a second polarization state (p-polarization) oriented perpendicular to the first.
  • a maximum of eight partial laser beams can be generated, of which two partial laser beams with a different polarization state go into the inner light-conducting core, two pairs of partial laser beams, each with a different polarization state in pairs, go into a first annular light-conducting core and two partial laser beams with different polarization states are coupled into a second annular light-conducting core surrounding the first.
  • a maximum of sixteen partial laser beams can be generated, of which two partial laser beams with different polarization states go into the inner light-conducting core, three pairs of partial laser beams, each with a different polarization state in pairs, go into a first annular light-guiding core, three pairs of partial laser beams, each with a different polarization state in pairs, are coupled into a second annular light-conducting core surrounding the first and two partial laser beams with different polarization states are coupled into a third light-conducting core surrounding the second annular light-conducting core.
  • Both the triple-clad fiber and the quadruple-clad fiber therefore have polarization-independent coupling of the partial laser beams into the respective ones light-conducting cores possible.
  • the beam switch designed in the manner described above can also be used to couple the partial laser beams into multi-clad fibers that have more than three or four light-conducting cores.
  • This embodiment is particularly suitable for coupling the partial laser beams into a quadruple clad fiber.
  • the beam switch can only have the two identically oriented birefringent optical wedges, in which case a maximum of four partial laser beams can be coupled into the four light-conducting cores of the quadruple clad fiber.
  • a polarization-influencing device is arranged between the two birefringent optical wedges.
  • a polarization-influencing device can optionally also be provided in front of the first birefringent optical wedge.
  • the beam switch has an oppositely oriented birefringent optical wedge in the beam path of the laser beam in front of the two identically oriented birefringent optical wedges, the wedge angle of which corresponds to 3 times the wedge angle of the second of the identically oriented birefringent optical wedges in the beam path.
  • the oppositely oriented birefringent optical wedge can be dispensed with or it can be replaced by an optical wedge made of a non-birefringent material .
  • the coupling optics are for coupling at least one partial laser beam, preferably at least one pair of partial laser beams with two different polarization states each formed a light-conducting core of a rotationally symmetrical quadruple clad fiber. Even with the beam switch designed in the manner described above, polarization-independent coupling of the partial laser beams into the light-conducting cores of the quadruple clad fiber can take place.
  • the beam switch typically has two polarization-influencing devices, which are arranged between two birefringent optical wedges that follow each other in the beam path.
  • the beam switch described here it is possible to couple 100% of the power of the laser beam into each of the light-conducting cores.
  • the power of the laser beam cannot be distributed in any way between the four light-conducting cores of the quadruple-clad fiber.
  • the device comprises a control device for adjusting the polarization-influencing effect of the at least one polarization-influencing device in order to set a division ratio of the laser beam when coupled into the at least two different light-conducting cores of the multi-clad fiber.
  • the control device is used to electronically control the polarization rotating device.
  • the polarization-influencing device enables the polarization state of a respective incident partial laser beam to be changed.
  • the change can, for example, be a rotation of the electric field strength vector of a respective incident partial laser beam by an angle of rotation about the respective propagation direction of the partial laser beam.
  • the polarization-influencing device is designed for continuous adjustment of the polarization-influencing effect.
  • a rotatably mounted retardation plate can be used as the polarization-influencing device. If the device has a polarization-rotating effect, the angle of rotation can, for example, be continuously changed or adjusted.
  • the polarization-influencing device can be, for example, a retardation plate in the form of a rotatable mounted X/2 plate, which can be rotated about the optical axis of the beam switch with the help of the control device, which acts on a suitable actuator.
  • the polarization-influencing device can alternatively be a Pockels cell, which can also be controlled electronically and which influences the polarization state, in particular a rotation of the polarization direction, of an incident partial laser beam.
  • control device is designed to set a polarization-influencing effect of the at least one polarization-influencing device, in which no power of the laser beam is coupled into at least one of the light-conducting cores of the multiple clad fiber and / or in which in at least one of the light-conducting cores of the multiple clad -Fiber the entire power of the laser beam is coupled.
  • the number of polarization-influencing devices in the form of polarization-rotating devices corresponds to the number of light-conducting cores of the multi-clad fiber minus one
  • any division ratio between the light-conducting cores i.e. the power of the laser beam can be set to any desired level light-conducting cores are divided. Between 0% and 100% of the power of the laser beam can thus be coupled into a respective light-conducting core. In the first case (coupling of 0%), no partial laser beams are coupled into the respective light-conducting core; in the second case, all partial laser beams that emerge from the beam switch are coupled into the respective light-conducting core.
  • the entire power of the laser beam can be coupled into the inner light-conducting core if the polarization-influencing device does not produce a polarization-influencing effect.
  • the polarization-influencing device causes a polarization rotation of 90°
  • the entire power of the laser beam can be coupled into the annular light-conducting core of the double-clad fiber.
  • the laser beam entering the beam splitter is linearly polarized and the beam splitter has an X/4 retardation element in the beam path in front of the first birefringent optical wedge.
  • the X/4 Delay element can be designed, for example, as an X/4 plate, the preferred axis of which is aligned at 45 ° to the optical axis of the birefringent optical wedges of the beam switch.
  • the power of the laser beam is aligned parallel or perpendicular to the optical axis of the birefringent optical wedges by the X/4 retardation element with a division ratio of 50:50, regardless of the orientation of the linear polarization of the incoming laser beam. This means that two partial laser beams that are coupled into the same light-conducting core always have the same power.
  • the invention also relates to an optical system comprising: a multiple clad fiber, preferably a double clad fiber, a triple clad fiber or a quadruple clad fiber, and a device, which is designed as described above, for coupling the laser beam into the multiple clad -Fiber.
  • the optical system typically also includes a laser that is used to generate the laser beam that is coupled into the beam splitter.
  • the laser wavelength of the laser beam is basically arbitrary and is adapted to the material of the optical elements of the beam switch, the coupling optics and the multi-clad fiber. In the event that the wavelength of the laser beam is 1030 nm, the birefringent optical wedges can be made, for example, from crystalline quartz, which is transparent for this wavelength.
  • the power distribution in the multi-clad fiber can be adjusted using the polarization-influencing devices independently of the polarization of the laser beam entering the beam splitter.
  • the power distribution in the multi-clad fiber is also independent of the spatial intensity distribution of the incoming laser beam and largely independent of the pointing of the incoming laser beam.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an optical system that has a multi-clad fiber and a device for coupling a laser beam into the multi-clad fiber,
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a laser beam passing through a birefringent optical wedge of a beam switch of the device of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a schematic representation analogous to FIG. 1, in which the device is designed for coupling the laser beam into a double-clad fiber,
  • FIG. 4a-c show schematic representations analogous to FIG. 1, in which the device is designed for coupling the laser beam into a triple-clad fiber,
  • Fig. 5 is a schematic representation analogous to Fig. 4a-c, in which the device is designed for coupling the laser beam into a quadruple clad fiber, and
  • Fig. 6 is a schematic representation analogous to Fig. 1 with a further device which is designed to couple the laser beam into a quadruple clad fiber.
  • FIG. 1 shows an optical system 1 that has a laser 2 for generating a laser beam 3.
  • the laser beam 3 emerging from the laser 2 enters a device 4 which is designed to couple the laser beam 3 into a multi-clad fiber 5.
  • the device 4 has a beam switch 6 and coupling optics 7.
  • the beam switch 6 serves to divide the laser beam 3 into a typically even number of partial laser beams 3.1, ..., 3.M, which emerge from the beam switch 6.
  • the coupling optics 7 With the help of the coupling optics 7, the angular distribution of the partial laser beams 3.1, 3.2, ... is converted into a spatial distribution on an end face of the multiple clad fiber 5, which lies in the focal plane of the coupling optics 7.
  • the exit angles of the partial laser beams 3.1, 3.2, ... from the beam switch 6 are coordinated with the coupling optics 7 and lead to spatial offsets in the focal plane of the coupling optics 7, which are coordinated with the multi-clad fiber 5 in such a way that the partial laser beams 3.1, 3.2, ... be coupled into the multiple clad fiber 5 at the positions of two or more light-conducting cores.
  • the coupling optics 7 can be a focusing lens, but the coupling optics 7 can also have several transmitting or reflecting optical elements.
  • the multi-clad fiber 5 can be a linear multi-clad fiber in which several light-conducting cores are arranged next to one another, into which the partial laser beams 3.1, 3.2, ... are coupled.
  • it can be a grating multi-clad fiber, in which several light-conducting cores are arranged in rows and columns, or a rotationally symmetrical multi-clad fiber.
  • the beam switch 6 has at least two birefringent optical wedges.
  • the effect of an optical wedge 9a of the beam switch 6, which is the first in the beam path, on the laser beam 3 is described in more detail below with reference to FIG. 2.
  • the laser beam 3 has two polarization components s, p, in which the electric field strength vector is aligned parallel to the drawing plane or perpendicular to the drawing plane, which corresponds to the XZ plane of an XYZ coordinate system.
  • the birefringent optical wedge 9a is made of a uniaxial crystal, for example quartz or calcite.
  • the optical axis 0 of the birefringent optical wedge 9a is aligned perpendicular to the optical axis 8 of the beam switch 6 (in the X direction).
  • the laser beam 3 is divided into a first, s-polarized partial laser beam 3.1 and a second, p-polarized partial laser beam 3.2.
  • the first partial laser beam 3.1 which forms the ordinary beam, is aligned at a first angle ⁇ to the optical axis 8.
  • the second partial laser beam 3.2 which forms the extraordinary beam, is aligned at a second angle y to the optical axis 8.
  • the size of the angle difference ö depends on the type of birefringent material used and on the wedge angle a of the birefringent optical wedge 9a.
  • a beam entry surface 10a of the birefringent optical wedge 9a is aligned perpendicular to the optical axis 8 of the beam switch 6.
  • a beam exit surface 10b of the birefringent optical wedge 8a is aligned perpendicular to the optical axis 8 at the wedge angle a with respect to the XY plane.
  • Fig. 3 shows an optical system 1 with a beam switch 6, which has a first birefringent optical wedge 9a in the beam path, which is designed as in Fig. 2.
  • a second birefringent optical wedge 9b in the beam path is designed to be identical or identical to the first birefringent optical wedge 9a and rotated by 180° relative to it in the XZ plane, which corresponds to the drawing plane.
  • the beam exit surface 10b of the first birefringent optical wedge 9a is aligned parallel to a beam entry surface 11a of the second birefringent optical wedge 9b.
  • a jet exit surface 11b of the second birefringent optical wedge 9b is perpendicular to the optical axis
  • the wedge angles a of the two birefringent optical wedges 9a, 9b are the same size.
  • the laser beam 3 entering the beam switch 6 passes through the first birefringent optical wedge 9a and is divided into the two partial laser beams 3.1, 3.2, as described in connection with FIG. 2.
  • the two partial laser beams 3.1, 3.2 impinge on a polarization-influencing device 12, which is designed in the form of a rotatable X/2 plate.
  • the polarization-influencing device 12 in the form of the rotatable X/2 plate has a polarization-rotating effect and is therefore referred to below as the polarization-rotating device 12.
  • a control device 13 is used to electronically control the polarization-rotating device 12. In the example shown, the control device 13 is used to rotate the the angle of rotation when rotating the direction of polarization can be adjusted continuously.
  • an emerging first partial laser beam 3.T is formed from the s-polarized first partial laser beam 3.1, which enters the polarization-rotating device 12, which has both an s-polarized and a p-polarized polarization component.
  • an emerging second partial laser beam 3.2 ' is formed from the p-polarized second partial laser beam 3.2, which has s- and p-polarized polarization components.
  • the two partial laser beams 3.T, 3.2' emerging from the polarization rotating device 12 pass through the second birefringent optical wedge 9b in the beam path and are split into a total of four partial laser beams 3.1 to 3.4.
  • Two of the partial laser beams 3.1, 3.2 emerge from the second birefringent wedge 9b, aligned parallel to the optical axis 8.
  • the other two partial laser beams 3.3, 3.4 emerge from the second birefringent optical wedge 9b at an angle to the optical axis 8 of the beam switch 6.
  • the first and second partial laser beams 3.1, 3.2 which are aligned parallel to the incident laser beam 3 or to the optical axis 8 of the beam switch 6 when emerging from the beam switch 6, are in an inner light-conducting core 14a of the multiple clad fiber 5 is coupled in, which is designed as a rotationally symmetrical double clad fiber.
  • the third and fourth partial laser beams 3.3, 3.4 are coupled into a second light-conducting core 14b of the double-clad fiber 5, which is annular and surrounds the inner light-conducting core 14a, as shown on the right in FIG. 3 in the cross section of the double-clad fiber 5 is recognizable.
  • An optical axis 8a of the coupling optics 7 and the central axis of the double-clad fiber 5 are laterally offset relative to the optical axis 8 of the beam splitter 6, specifically by the amount by which the two partial laser beams 3.1, 3.2 exit the beam splitter 6 in Reference to the incident laser beam 3 were offset parallel to the optical axis 8. This makes it possible for the partial laser beams 3.1, 3.2, ... to strike the entry-side end of the double-clad fiber 5 with the smallest possible angles of incidence.
  • s-polarized partial laser beams 3.1, 3.4 are shown by white arrows and p-polarized partial laser beams 3.2, 3.3 are shown by black arrows.
  • a first pair of partial laser beams 3.1, 3.2 with different polarization states (s- or p-polarization) are transmitted into the inner light-conducting core 14a of the double-clad fiber 5 and a second pair of partial laser beams 3.3, 3.4 different polarization states (s- or p-polarization) are coupled into the annular light-conducting core 14b of the double-clad fiber 5.
  • the number of s- and p-polarized partial laser beams 3.1, 3.2 or 3.3, 3.4 is the same, i.e. the coupling of the laser beam 3 into the respective cores 14a, 14b the double-clad fiber 5 is polarization-independent.
  • the division ratio ie the respective proportion of the power of the laser beam 3, which is coupled into the inner light-conducting core 14a and into the annular light-conducting core 14b, can be adjusted by controlling the polarization-influencing device 12 with the aid of the control device 13.
  • the power of the laser beam 3 can be divided as desired between the two light-conducting cores 14a, 14b, ie between 0% and 100% of the power of the laser beam 3 can be coupled into a respective light-conducting core 14a, 14b.
  • the polarization-rotating effect of the polarization-rotating device 12 can in particular be selected so that no power of the laser beam 3 is coupled into a respective light-conducting core 14a, 14b, while the entire power of the laser beam 3 is coupled into the other light-conducting core 14b, 14a.
  • the beam switch 6 in this case is designed to divide the incident laser beam 3 into a total of eight partial laser beams 3.1 to 3.8.
  • the beam switch 6 has three birefringent optical wedges 9a, 9b, 9c.
  • the second and third birefringent optical wedges 9b, 9c in the beam path have the same orientation with respect to the optical axis 8, the first birefringent optical wedge 9a in the beam path is oriented opposite to the second and third birefringent optical wedge 9b, 9c in the beam path.
  • the second and third birefringent optical wedges 9b, 9c in the beam path have the same wedge angle a.
  • the first birefringent optical wedge 9a in the beam path has a wedge angle 2a which is twice as large as the wedge angle a of the second and third birefringent optical wedges 9b, 9c.
  • the three birefringent optical wedges 9a-c are made of the same birefringent optical material.
  • Two partial laser beams 3.1, 3.2 of the total of eight partial laser beams 3.1 to 3.8, which emerge from the beam switch 6, are aligned parallel to the optical axis 8 of the beam switch 6 or to the incident laser beam 3 and are, as described in connection with FIG. 3, from the coupling optics 7 and coupled into the inner light-conducting core 14a of the multiple clad fiber 5.
  • the lateral is shown in FIGS. 4a-c and in the following illustrations Offset between the optical axis 8 of the beam switch 6 and the optical axis 8a of the coupling optics 7 not shown.
  • partial laser beams 3.3 to 3.8 Of the remaining six partial laser beams 3.3 to 3.8, four partial laser beams 3.3 to 3.6 are coupled into the second light-conducting core 14b of the triple-clad fiber 5 and two partial laser beams 3.7, 3.8 are coupled into the third light-conducting core 14c of the triple-clad fiber 5.
  • the partial laser beams 3.1, 3.2; coupled into the respective core 14a-c; 3.3 to 3.6; 3.7, 3.8 are each polarized differently in pairs, as indicated in Fig. 4a by circles drawn in the cross section of the triple clad fiber 5. White circles correspond to s-polarized partial laser beams, while black circles correspond to p-polarized partial laser beams.
  • the beam switch 6 has two polarization-rotating devices 12a, 12b, which are electronically controlled with the help of the control device 13 to distribute the power of the laser beam 3 to the three light-conducting cores 14a-c of the triple-clad fiber . Even in the device 4 shown in FIG. 4a, between 0% and 100% of the power of the laser beam 3 can be coupled into a respective light-conducting core 14a-c.
  • 4b shows the case in which the control device 13 controls the first polarization-rotating device 12a in the beam path so that it has no polarization-rotating effect, i.e. the optical axis of the X/2 plate is aligned either in the X direction or in the Y direction .
  • This has the consequence that at the second birefringent optical wedge 9b there is no splitting of the two partial laser beams 3.1, 3.2 that were formed at the first birefringent optical wedge 9a. Accordingly, in this case, only four partial laser beams 3.1 to 3.4 are generated by the beam switch 6, which are coupled into the first and second light-conducting cores 14a, 14b.
  • the division ratio when coupled into the first and second light-conducting cores 14a, 14b can be adjusted. Does the second polarization-rotating device 12b have no polarization-rotating effect because its optical axis is in the X direction or in If the Y direction is aligned, only the first and second partial laser beams 3.1, 3.2 emerge from the beam switch 6 and are coupled into the inner light-conducting core 14a. If the optical axis of the second polarization rotating device 12b is aligned at 45° to the X direction and Y direction, two partial laser beams 3.3, 3.4 are generated, which are coupled into the first annular light-conducting core 14b.
  • 4c shows the case in which the control device 13 controls the second polarization-rotating device 12a in the beam path so that it has no polarization-rotating effect, i.e. the optical axis of the X/2 plate is aligned either in the X direction or in the Y direction .
  • the control device 13 controls the second polarization-rotating device 12a in the beam path so that it has no polarization-rotating effect, i.e. the optical axis of the X/2 plate is aligned either in the X direction or in the Y direction .
  • the control device 13 controls the second polarization-rotating device 12a in the beam path so that it has no polarization-rotating effect, i.e. the optical axis of the X/2 plate is aligned either in the X direction or in the Y direction .
  • the third birefringent optical wedge 9c in the beam path, there is no splitting of the four partial laser beams 3.1, 3.2, 3.7, 3.8, which
  • the division ratio when coupled into the first and third light-conducting cores 14a, 14c can also be adjusted in this case. If the first polarization-rotating device 12a does not have a polarization-rotating effect, only the first and second partial laser beams 3.1, 3.2 emerge from the beam switch 6 and are coupled into the inner light-conducting core 14a. If the optical axis of the first polarization rotating device 12a is aligned at 45° to the X direction or Y direction, two partial laser beams 3.7, 3.8 are generated, which are coupled into the second annular light-conducting core 14c.
  • the first polarization rotating device 12a in the form of the X/2 plate is positioned at an angle of 22.5° to the X direction or to the Y direction. direction aligned.
  • the second polarization rotating device 12b in the form of the X/2 plate is aligned at an angle of 17.63 ° to the X direction or to the Y direction.
  • an X/4 delay element 15 indicated in FIG. 4a can be arranged in the beam path in front of the first birefringent optical wedge 9a.
  • the optical axis of the X/4 retardation element 15 is aligned at 45° to the X direction or to the optical axis of the first birefringent optical wedge 9a.
  • the power of the linearly polarized laser beam 3 is divided by the X/2 delay element 15 with a division ratio of 50:50 into two polarization components aligned in the incident linearly polarized laser beam 3.
  • the result of this is that two partial laser beams 3.1, 3.2, ... with different polarization states, which are coupled into the same light-guiding core 14a-c of the triple-clad fiber 5, have the same power.
  • the first birefringent optical wedge 9a can be dispensed with.
  • an optical wedge can be arranged in the beam switch 6, which is not made of a birefringent material and which has a wedge angle of 2a.
  • Fig. 5 shows a device 4 which is designed for coupling the laser beam 3 into a radially symmetrical quadruple clad fiber 5, which has an inner light-conducting core 14a and three annular light-conducting cores 14b-d which surround the inner light-conducting core 14a.
  • the device 4 shown in FIG. 5 differs from the device 4 shown in FIGS Beam path of successive birefringent optical wedges 9a, 9b; 9b, 9c; 9c, 9d are arranged.
  • a first birefringent optical wedge 9a in the beam path has a wedge angle 3 a, which corresponds to three times the (identical) wedge angle a of the three equally oriented wedges 9b-c.
  • the first birefringent optical wedge 9a can be dispensed with or, instead of the first birefringent optical wedge 9a, an optical wedge can be arranged in the beam switch 6, which is not made of a birefringent material and which has a wedge angle of 3a .
  • the material of the optical wedge can be an amorphous (glass) material, for example quartz glass.
  • Fig. 6 shows a device 4, which, like the device 4 shown in Fig. 5, is designed for coupling the laser beam 3 into a quadruple clad fiber 5.
  • the device 4 has three birefringent optical wedges 9a-c.
  • the second and third birefringent optical wedges 9b, 9c in the beam path are oriented in the same way, the first birefringent optical wedge 9a in the beam path is oriented in the opposite direction to the other two wedges 9b, 9c.
  • the second birefringent optical wedge 9b has a wedge angle 2a which is twice as large as the wedge angle a of the third birefringent optical wedge 9c.
  • the first birefringent optical Wedge 9a has a wedge angle 3a which corresponds to 3 times the wedge angle a of the third birefringent optical wedge 9c.
  • the beam switch 6 is designed to generate up to eight partial laser beams 3.1 to 3.8.
  • Two differently polarized partial laser beams 3.1, 3.2, ... are coupled into one of the light-conducting cores 14a-d of the quadruple clad fiber 5.
  • Two of the partial laser beams 3.1, 3.2, which emerge from the beam switch 6 and are aligned parallel to the optical axis 8 or to the beam direction Z of the incident laser beam 3, are coupled into the inner light-conducting core 14a of the quadruple clad fiber 5.
  • the first birefringent optical wedge 9a can be dispensed with or, instead of the first birefringent optical wedge 9a, an optical wedge can be arranged in the beam switch 6, which is made of an amorphous material.
  • the optical wedge should have a wedge angle of 3a.
  • the device 4 shown in FIG. 6 has two polarization rotating devices 12a, 12b. Therefore, only two degrees of freedom are available for dividing the power of the laser beam 3 between the four light-conducting cores 14a-d of the quadruple clad fiber 5. In contrast to the examples described above, any distribution of the power of the laser beam 3 among the four light-guiding cores 14a-d is not possible, i.e. arbitrary division ratios cannot be set. However, it is still possible to couple the entire power of the laser beam 3 into one of the light-conducting cores 14a-d.
  • polarization-rotating devices 12, 12a, 12b instead of the polarization-rotating devices 12, 12a, 12b described above in the form of rotatable . of the partial beams 3.1, 3.2, ... changed, but do not cause a rotation of the polarization direction.
  • polarization-influencing devices 12, 12a, 12b, ... are rotatable X/4 plates.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (4) zum Einkoppeln eines Laserstrahls (3) in eine Mehrfachclad-Faser (5), umfassend: eine Strahlweiche (6) zur Aufteilung des Laserstrahls (3) auf eine Mehrzahl von Teillaserstrahlen (3.1, 3.2, …), wobei die Strahlweiche (6) mindestens zwei doppelbrechende optische Keile (9a, 9b, …) sowie mindestens eine polarisationsdrehende Einrichtung (12a, 12b, …) mit einstellbarer polarisationsdrehender Wirkung umfasst, die zwischen den doppelbrechenden optischen Keilen (9a, 9b, …) angeordnet ist, sowie eine Einkoppeloptik (7) zur Einkopplung der aus der Strahlweiche (6) austretenden Teillaserstrahlen (3.1, 3.2, …) in die Mehrfachclad-Faser (5), wobei die Einkoppeloptik (7) ausgebildet ist, mindestens zwei der aus der Strahlweiche (6) austretenden Teillaserstrahlen (3.1, 3.2, …) in mindestens zwei verschiedene lichtleitende Kerne (14a, 14b, …) der Mehrfachclad-Faser (5) einzukoppeln. Die Erfindung betrifft auch ein optisches System (1), umfassend: eine Mehrfachclad-Faser (5) sowie eine Vorrichtung (4), die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist, zur Einkopplung des Laserstrahls (3) in die Mehrfachclad-Faser (5).

Description

Vorrichtung zum Einkoppeln eines Laserstrahls in eine Mehrfachclad-Faser und optisches System
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln eines Laserstrahls in eine Mehrfachclad-Faser. Die Erfindung betrifft auch ein optisches System, das eine solche Vorrichtung sowie eine Mehrfachclad-Faser aufweist.
Um einen Laserstrahl von einem Ausgangsort zu einem Zielort zu führen, kann eine Mehrfachclad-Faser verwendet werden. Bei dem Ausgangsort kann es sich beispielsweise um einen Laser handeln, der zur Erzeugung des Laserstrahls dient. Bei dem Zielort kann es sich beispielsweise um eine Bearbeitungsoptik handeln, die den Laserstrahl formt und anschließend ein Werkstück mit dem Laserstrahl beaufschlagt, um dieses zu bearbeiten. Bei dem Bearbeitungsprozess kann es sich beispielsweise um einen Schweißprozess oder um einen Schneidprozess handeln.
Unterschiedliche Bearbeitungsprozesse haben in der Regel unterschiedliche Anforderungen an charakteristische Laserstrahlparameter, beispielsweise an den Fokusdurchmesser, die Intensitätsverteilung, das Strahlprofil, etc.
Aus der EP2556397 ist es bekannt, dass die Laserstrahlanteile, die in den inneren Kem oder den äußeren Kem einer Mehrfachclad-Faser eingekoppelt werden, unterschiedliche Strahlcharakteristiken und Strahlqualitäten im ausgekoppelten Laserstrahl bereitstellen. Um die Strahlqualität einzustellen, wird der Laserstrahl durch eine mechanisch einfahrbare Keilweiche in zwei Teillaserstrahlen aufgespalten, die in verschiedene Kerne der Doppelclad-Faser eingekoppelt werden. Die Keilweiche zum Einstellen der Strahlqualität ist jedoch schwer zu fertigen und die Verteilung der Leistung zwischen dem inneren Kem und dem äußeren Kem wird von Änderungen der Position des Laserstrahls auf der Keilweiche beeinflusst (Dejustageempfindlichkeit). Aus der US10914902 sind verschiedene Varianten der Einkopplung eines Laserstrahls in eine Doppelclad-Faser beschrieben, bei denen mittels doppelbrechender Elemente eine Polarisationsaufspaltung eines einfallenden Laserstrahls erreicht wird und die zwei entstehenden Teillaserstrahlen in verschiedene Kerne der Doppelclad-Faser abgebildet werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Einkoppeln eines Laserstrahls in eine Mehrfachclad-Faser und ein entsprechendes optisches System bereitzustellen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Einkoppeln eines Laserstrahls gelöst, umfassend: eine Strahlweiche zur Aufteilung des Laserstrahls auf eine Mehrzahl von Teillaserstrahlen, wobei die Strahlweiche mindestens zwei doppelbrechende optische Keile sowie mindestens eine polarisationsbeeinflussende Einrichtung mit einstellbarer polarisationsbeeinflussender Wirkung umfasst, die zwischen den doppelbrechenden optischen Keilen angeordnet ist, sowie eine Einkoppeloptik zur Einkopplung der aus der Strahlweiche austretenden Teillaserstrahlen in die Mehrfachclad-Faser, wobei die Einkoppeloptik ausgebildet ist, mindestens zwei der aus der Strahlweiche austretenden Teillaserstrahlen in mindestens zwei verschiedene lichtleitende Kerne der Mehrfachclad-Faser einzukoppeln.
Bei der hier beschriebenen Vorrichtung werden mindestens zwei doppelbrechende optische Keile dazu verwendet, den Laserstrahl auf mehrere Teillaserstrahlen aufzuteilen. Hierbei wird ausgenutzt, dass in einem doppelbrechenden optischen Keil ein ordentlicher und ein außerordentlicher Teillaserstrahl gebildet werden, die beim Austritt aus einer Strahlaustrittsfläche des doppelbrechenden optischen Keils einen Differenzwinkel aufweisen. Die beiden aus dem doppelbrechenden Keil austretenden Teillaserstrahlen sind linear polarisiert und weisen eine zueinander senkrechte Polarisationsrichtung auf. Bei dem doppelbrechenden Material der doppelbrechenden optischen Keile handelt es sich bevorzugt um einen uniaxialen Kristall, z.B. um Calcit oder um Quarz. Die optische Achse des Kristalls ist typischerweise senkrecht zur optischen Achse der Strahlweiche ausgerichtet. Eine Strahleintrittsfläche oder eine Strahlaustrittsfläche der doppelbrechenden optischen Keile ist typischerweise ebenfalls senkrecht zur optischen Achse der Strahlweiche ausgerichtet.
Beim Durchtritt durch die polarisationsbeeinflussende Einrichtung wird die Polarisationsrichtung der beiden linear polarisierten Teillaserstrahlen, die aus dem doppelbrechenden optischen Keil austreten, beeinflusst bzw. manipuliert, sodass die Gewichtung der s- und p-polarisierten Anteile der Teilstrahlen verändert wird. Beim Durchtritt durch einen im Strahlweg nachfolgenden doppelbrechenden optischen Keil wird ein jeweiliger Teillaserstrahl daher erneut in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Teillaserstrahl aufgespalten. Bei der Verwendung von z.B. zwei doppelbrechenden optischen Keilen in der Strahlweiche können somit insgesamt maximal vier Teillaserstrahlen erzeugt werden, die in mehreren unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf die optische Achse der Strahlweiche ausgerichtet sind.
Mit Hilfe der Einkoppeloptik wird die Winkelverteilung der Teillaserstrahlen in eine Ortsverteilung an der Stirnseite der Mehrfachclad-Faser umgewandelt. Die Austrittswinkel der Teillaserstrahlen aus der Strahlweiche sind auf die Einkoppeloptik abgestimmt und führen zu Ortsversätzen in der Brennebene der Einkoppeloptik, die so auf die Geometrie der Mehrfachclad-Faser abgestimmt sind, dass die Teillaserstrahlen an den Positionen der lichtleitenden Kerne in die Mehrfachclad- Faser eingekoppelt werden. Die Einkoppeloptik kann eines oder mehrere optische Elemente aufweisen. Die Einkoppeloptik umfasst typischerweise mindestens ein fokussierendes optisches Element zur Fokussierung der Teillaserstrahlen in einer Brennebene, an der sich die Stirnseite der Mehrfachclad-Faser befindet, in die der Laserstrahl eingekoppelt werden soll.
Bei der polarisationsbeeinflussenden Einrichtung kann es sich beispielsweise um ein drehbares Verzögerungselement in Form einer Verzögerungsplatte handeln, z.B. in Form einer X/2-Platte oder einer X/4-Platte. Eine Verzögerungsplatte bewirkt generell eine Phasenverschiebung zwischen zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen. Eine X/2-Platte bewirkt eine Drehung der Polarisationsrichtung eines jeweiligen linear polarisierten Teilstrahls, eine X/4-Platte kann einen jeweiligen linear polarisierten Teilstrahl in einen zirkular oder elliptisch polarisierten Teilstrahl umwandeln. Für die Einstellung eines Teilungsverhältnisses zwischen 0% und 100% (s.u.) ist es günstig, wenn die polarisationsbeeinflussende Einrichtung als polarisationsdrehende Einrichtung, z.B. als drehbare A/2-Platte, ausgebildet ist. Eine drehbare X/4-Platte ermöglicht typischerweise nur die Einstellung eines Teilungsverhältnisses in einem reduzierten Wertebereich, z.B. zwischen 50% und 100%.
Die Aufteilung der Leistung des Laserstrahls mit Hilfe der polarisationsbeeinflussenden Einrichtung(en) hat gegenüber der Verwendung einer mechanisch einfahrbaren Keilweiche den Vorteil, dass kein Streulicht und keine Beugungseffekte an der Kante des mechanisch einfahrbaren Keils auftreten. Die Aufteilung der Leistung des Laserstrahls auf die verschiedenen lichtleitenden Kerne kann zudem durch die Einstellung der polarisationsbeeinflussenden Wirkung der polarisationsbeeinflussenden Einrichtung variabel gestaltet werden. Beispielsweise kann für den Fall, dass die polarisationsbeeinflussende Einrichtung so eingestellt wird, dass diese keine polarisationsbeeinflussende Wirkung aufweist, eine Anzahl von Teillaserstrahlen erzeugt werden, die halb so groß ist wie die maximal mögliche Anzahl an Teillaserstrahlen, die mit der Strahlweiche erzeugt werden können (z.B. zwei statt vier Teillaserstrahlen bei der Verwendung von zwei doppelbrechenden optischen Keilen). Dies kann ausgenutzt werden, um in bestimmte lichtleitende Kerne der Mehrfachclad-Faser keine Leistung bzw. keine Teillaserstrahlen einzukoppeln. Unter "verschiedenen" lichtleitenden Kernen werden im Sinne dieser Anmeldung Kerne verstanden, die räumlich unterschiedlich positioniert sind bzw. die räumlich voneinander getrennt sind.
Die Anzahl der polarisationsbeeinflussenden Einrichtungen entspricht der Anzahl der Freiheitsgrade bei der Einkopplung in die Mehrfachclad-Faser. Es ist günstig, wenn die Anzahl der polarisationsbeeinflussenden Einrichtungen mit der Anzahl der lichtleitenden Kerne der Mehrfachclad-Faser minus Eins übereinstimmt. In diesem Fall kann in der Regel in einen jeweiligen lichtleitenden Kem der Mehrfachclad-Faser zwischen 0% und 100% der Leistung des Laserstrahls eingekoppelt werden. Bei einer Ausführungsform ist die Mehrfachclad-Faser rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen inneren lichtleitenden Kem und mindestens einen ringförmigen lichtleitenden Kern auf und die Einkoppeloptik ist ausgebildet, zwei aus der Strahlweiche austretende Teillaserstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen, deren Propagationsrichtung einer Strahlrichtung des in die Strahlweiche eintretenden Laserstrahls entspricht, in den inneren Kern der Mehrfachclad-Faser einzukoppeln.
Grundsätzlich kann die Mehrfachclad-Faser auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer linearen Mehrfachclad-Faser, bei der mehrere lichtleitende Kerne nebeneinander angeordnet sind, oder in Form einer Gitter- Mehrfachclad-Faser, in der mehrere Kerne in Zeilen und Spalten angeordnet sind. In der nahfolgenden Beschreibung wird zur Vereinfachung davon ausgegangen, dass es sich bei der Mehrfachclad-Faser um eine rotationssymmetrische Mehrfachclad- Faser handelt, die einen inneren, typischerweise kreisförmigen lichtleitenden Kem und einen oder mehrere ringförmige lichtleitende Kerne aufweist, die den inneren lichtleitenden Kem umgeben. Zwischen den lichtleitenden Kernen sind sogenannte Zwischencladdings angebracht, die nicht lichtleitend sind. Auch der radial äußerste lichtleitende Kem kann an seiner Außenseite von einem nicht lichtleitenden Cladding umgeben sein, an das sich ggf. eine Schicht aus Glas oder dergleichen anschließt.
Bei den beiden Teillaserstrahlen, die in den inneren Kem der Mehrfachclad-Faser eingekoppelt werden, handelt es sich um diejenigen Teillaserstrahlen, die am Austritt des ersten doppelbrechenden optischen Keils gebildet werden und ihren Polarisationszustand beim Durchlaufen der Strahlweiche beibehalten. Bei den unterschiedlichen Polarisationszuständen handelt es sich daher typischerweise um die senkrecht zueinander ausgerichteten linearen Polarisationszustände der beiden aus dem ersten doppelbrechenden optischen Keil austretenden Teillaserstrahlen. Die Strahlweiche ist in diesem Fall typischerweise derart ausgebildet, dass die Ablenkwinkel der beiden Teillaserstrahlen, die ihren Polarisationszustand beim Durchlaufen der Strahlweiche beibehalten, beim Durchtritt durch die zwei oder mehr doppelbrechenden optischen Keile sich gerade kompensieren. Für den Fall, dass der Laserstrahl parallel zur optischen Achse der Strahlweiche ausgerichtet ist, sind die beiden austretenden Teillaserstrahlen, bei denen die Ablenkwinkel sich gerade kompensieren, ebenfalls parallel zur optischen Achse der Strahlweiche ausgerichtet, aber verlaufen seitlich versetzt zum einfallenden Laserstrahl. Für die Einkopplung der beiden Teillaserstrahlen in den inneren Kem der Mehrfachclad-Faser fokussiert die Einkoppeloptik diese beiden Teillaserstrahlen typischerweise auf der optischen Achse der Einkoppeloptik, an welcher der innere Kem der Mehrfachclad-Faser positioniert ist. Die anderen aus der Strahlweiche austretenden Teillaserstrahlen, die nicht parallel zum einfallenden Laserstrahl ausgerichtet sind, werden in den oder in die ringförmigen lichtleitenden Kerne der Mehrfachclad-Faser eingekoppelt. Die optische Achse der Einkoppeloptik kann grundsätzlich mit der optischen Achse der Strahlweiche übereinstimmen. In der Regel ist es jedoch günstig, wenn die optische Achse der Einkoppeloptik zur optischen Achse der Strahlweiche lateral versetzt ist. Der laterale Versatz der optischen Achse der Einkoppeloptik zur optischen Achse der Strahlweiche entspricht hierbei typischerweise im Wesentlichen dem seitlichen Versatz der beiden Teillaserstrahlen, bei denen die Ablenkwinkel sich gerade kompensieren, zum einfallenden Laserstrahl.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung ausgebildet, in einen jeweiligen lichtleitenden Kem der Mehrfachclad-Faser eines oder mehrere Paare von Teillaserstrahlen mit zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen einzukoppeln. Bei den beiden Polarisationszuständen handelt es sich typischerweise um lineare, zueinander senkrechte Polarisationszustände, die nachfolgend zur Vereinfachung als s-Polarisation und als p-Polarisation bezeichnet werden. Die paarweise Einkopplung von Teillaserstrahlen mit zueinander senkrechten Polarisationszuständen ermöglicht eine polarisationsunabhängige Einkopplung der Teillaserstrahlen in den jeweiligen lichtleitenden Kem. Eine solche Art der Einkopplung ist insbesondere bei der Verwendung einer rotationssymmetrischen Mehrfachclad-Faser möglich, bei der in die jeweiligen ringförmigen Kerne an zwei in radialer Richtung gegenüberliegenden Positionen jeweils ein Teillaserstrahl eingekoppelt werden kann. Für die polarisationsunabhängige Einkopplung ist es erforderlich, dass die Anzahl der doppelbrechenden optischen Keile zumindest der Anzahl der lichtleitenden Kerne der Mehrfachclad-Faser entspricht. Für den Fall, dass auf die polarisationsunabhängige Einkopplung verzichtet wird, kann die Anzahl der Keile um Eins niedriger sein als die Anzahl der lichtleitenden Kerne der Mehrfachclad-Faser.
Bei einer Ausführungsform weist die Strahlweiche eine erste Anzahl von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen und eine zweite Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen auf, die entgegengesetzt zur ersten Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen orientiert sind, wobei die Summe der Keilwinkel der ersten Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen der Summe der Keilwinkel der zweiten Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen entspricht.
Unter einer gleichen Orientierung von zwei oder mehr doppelbrechenden optischen Keilen wird verstanden, dass deren Keilspitzen auf derselben Seite der optischen Achse bzw. der Strahlrichtung des Laserstrahls positioniert sind. Unter einer entgegengesetzten Orientierung wird verstanden, dass die Keilspitzen der jeweiligen doppelbrechenden optischen Keile in Bezug auf die optische Achse auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Die doppelbrechenden optischen Keile sind in diesem Fall typischerweise aus demselben doppelbrechenden Material hergestellt und die optischen Achsen der doppelbrechenden optischen Keile sind parallel zueinander ausgerichtet. Es versteht sich, dass die doppelbrechenden optischen Keile nicht zwingend eine Keilspitze aufweisen müssen, sofern diese nicht von dem Laserstrahl bzw. von den Teillaserstrahlen durchlaufen wird. Unter dem Keilwinkel wird auch in diesem Fall derjenige Winkel verstanden, unter dem die Strah leintrittsf läche und die Strahlaustrittsfläche zueinander angeordnet sind.
Die Tatsache, dass die Summe der Keilwinkel der ersten und zweiten Anzahl von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen gleich groß ist, hat typischerweise zur Folge, dass die beiden weiter oben beschriebenen Teillaserstrahlen beim Durchtritt durch die Strahlweiche ihre Ausrichtung beibehalten und in den inneren Kern der Mehrfachclad-Faser eingekoppelt werden. Es versteht sich, dass eine geringfügige Abweichung der Summe der Keilwinkel der ersten Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen von der Summe der Keilwinkel der zweiten Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen tolerierbar ist, sofern trotz dieser Abweichung die Teillaserstrahlen in die jeweiligen lichtleitenden Kerne der Mehrfachclad-Faser eingekoppelt werden können. Die weiter oben beschriebene Einkopplung der beiden Teillaserstrahlen in den inneren lichtleitenden Kern der Mehrfachclad-Faser kann auch für den Fall erreicht werden, dass unterschiedliche Keilwinkel verwendet werden. In diesem Fall ist es typischerweise erforderlich, dass die doppelbrechenden Materialien der doppelbrechenden optischen Keile sich voneinander unterscheiden und die Keilwinkel der doppelbrechenden optischen Keile auf die unterschiedlichen doppelbrechenden Materialien abgestimmt werden.
Bei einer Ausführungsform weist die Strahlweiche genau zwei doppelbrechende optische Keile auf, die entgegengesetzt orientiert sind und denselben Keilwinkel aufweisen. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich bei der Mehrfachclad-Faser typischerweise um eine in der Regel rotationssymmetrische Doppelclad-Faser, die einen inneren lichtleitenden Kern und genau einen ringförmigen lichtleitenden Kern aufweist. Wie weiter oben beschrieben wurde, werden in diesem Fall die beiden aus der Strahlweiche austretenden Teillaserstrahlen, deren Propagationsrichtung der Strahlrichtung des Laserstrahls entspricht, in den lichtleitenden inneren Kem eingekoppelt und die beiden anderen Teillaserstrahlen, die aus der Strahlweiche austreten, werden in den lichtleitenden ringförmigen Kem der Doppelclad-Faser eingekoppelt. Die beiden doppelbrechenden optischen Keile sind typischerweise identisch ausgebildet und um 180° gegeneinander verdreht, sodass eine Strahlaustrittsfläche des im Strahlweg ersten doppelbrechenden optischen Keils und eine Strahleintrittsfläche des im Strahlweg zweiten doppelbrechenden optischen Keils parallel zueinander ausgerichtet sind.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Strahlweiche eine Anzahl N von doppelbrechenden optischen Keilen mit gleicher Orientierung auf, die bevorzugt im Strahlweg des Laserstrahls aufeinanderfolgend angeordnet sind. Für die Anzahl N der gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keile gilt: N > 1 , d.h. es handelt sich um zwei oder mehr doppelbrechende optische Keile mit gleicher Orientierung. Es ist grundsätzlich möglich, dass die Strahlweiche aus der Anzahl N von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen besteht bzw. dass die Strahlweiche keine weiteren doppelbrechenden optischen Keile aufweist. In diesem Fall kann zwischen jeweils zwei im Strahlweg aufeinanderfolgenden doppelbrechenden optischen Keilen sowie ggf. zusätzlich vor dem im Strahlweg ersten doppelbrechenden optischen Keil jeweils eine polarisationsbeeinflussende Einrichtung angeordnet sein.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Strahlweiche im Strahlweg des Laserstrahls vor der Anzahl N von optischen Keilen mit gleicher Orientierung einen entgegengesetzt orientierten doppelbrechenden optischen Keil auf. Der entgegengesetzt orientierte doppelbrechende Keil ermöglicht die Einhaltung der weiter oben beschriebenen Bedingung, dass die Summen der Keilwinkel gleich groß sein sollen.
Für den Fall, dass der in die Strahlweiche eintretende Laserstrahl einen festen Polarisationszustand aufweist, kann auf das Vorsehen des entgegengesetzt orientierten optischen Keils verzichtet werden, da dieser in diesem Fall keine Aufspaltung bewirkt, d.h. in diesem Fall können mit den N + 1 Keilen der Strahlweiche maximal 2N Teillaserstrahlen erzeugt werden. Alternativ kann der entgegengesetzt orientierte optische Keil durch einen optischen Keil aus einem nicht doppelbrechenden Material ersetzt werden, beispielsweise aus einem amorphen Material. Erfüllt dessen Keilwinkel die weiter oben angegebene Bedingung, ist nach dem Durchlaufen der Strahlweiche einer der Teillaserstrahlen parallel zur Strahlrichtung des in die Strahlweiche eintretenden Laserstrahls ausgerichtet und wird in den Kem der Mehrfachclad-Faser eingekoppelt.
Bei einer weiteren Weiterbildung weist die Anzahl N von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen einen identischen Keilwinkel auf und der entgegengesetzt orientierte doppelbrechende optische Keil weist einen Keilwinkel auf, der dem N-Fachen des identischen Keilwinkels entspricht. Auf diese Weise kann die weiter oben beschriebene Bedingung für die Summen der Keilwinkel der doppelbrechenden optischen Keile eingehalten werden. In der Regel ist bei dieser Ausführungsform zwischen jeweils zwei der doppelbrechenden optischen Keile eine polarisationsbeeinflussende Einrichtung angeordnet.
Bei einer weiteren Weiterbildung weist die Strahlweiche eine Anzahl N = 2 von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen auf und die Einkoppeloptik ist zur Einkopplung von mindestens drei der Teillaserstrahlen in verschiedene lichtleitende Kerne einer Dreifachclad-Faser ausgebildet oder die Strahlweiche weist eine Anzahl N = 3 von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen auf und die Einkoppeloptik ist zur Einkopplung von mindestens vier der Teillaserstrahlen in verschiedene lichtleitende Kerne einer Vierfachclad-Faser ausgebildet. Die maximale Anzahl an Teillaserstrahlen, die mit einer Anzahl von N doppelbrechenden optischen Keilen erzeugt werden kann, liegt bei 2N. Für den Fall, dass ein umgekehrt orientierter doppelbrechender Keil vor der Anzahl N von doppelbrechenden optischen Keilen mit gleicher Orientierung angeordnet ist, kann mit Hilfe der Strahlweiche eine maximale Anzahl von 2N+1 Teillaserstrahlen erzeugt werden, von denen jeweils die Hälfte einen ersten linearen Polarisationszustand (s-Polarisation) und die andere Hälfte einen zweiten, senkrecht zum ersten ausgerichteten Polarisationszustand (p-Polarisation) aufweist.
Im Fall einer Dreifachclad-Faser können bei der Verwendung von drei doppelbrechenden optischen Keilen maximal acht Teillaserstrahlen erzeugt werden, von denen zwei Teillaserstrahlen mit einem unterschiedlichen Polarisationszustand in den inneren lichtleitenden Kem, zwei Paare von Teillaserstrahlen mit jeweils paarweise unterschiedlichem Polarisationszustand in einen ersten ringförmigen lichtleitenden Kem und zwei Teillaserstrahlen mit unterschiedlichem Polarisationszustand in einen zweiten, den ersten umgebenden ringförmigen lichtleitenden Kem eingekoppelt werden.
Im Fall einer Vierfachclad-Faser können bei der Verwendung von vier doppelbrechenden optischen Keilen maximal sechzehn Teillaserstrahlen erzeugt werden, von denen zwei Teillaserstrahlen mit unterschiedlichem Polarisationszustand in den inneren lichtleitenden Kem, drei Paare von Teillaserstrahlen mit jeweils paarweise unterschiedlichem Polarisationszustand in einen ersten ringförmigen lichtleitenden Kem, drei Paare von Teillaserstrahlen mit jeweils paarweise unterschiedlichem Polarisationszustand in einen zweiten, den ersten umgebenden ringförmigen lichtleitenden Kem und zwei Teillaserstrahlen mit unterschiedlichem Polarisationszustand in einen dritten, den zweiten ringförmig umgebenden lichtleitenden Kem eingekoppelt werden.
Sowohl bei der Dreifachclad-Faser als auch bei der Vierfachclad-Faser ist daher eine polarisationsunabhängige Einkopplung der Teillaserstrahlen in die jeweiligen lichtleitenden Kerne möglich. Es versteht sich, dass die auf die weiter oben beschriebene Weise ausgebildete Strahlweiche auch zur Einkopplung der Teillaserstrahlen in Mehrfachclad-Fasern verwendet werden kann, die mehr als drei oder vier lichtleitende Kerne aufweisen.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Strahlweiche eine Anzahl N = 2 von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen auf, wobei ein im Strahlweg erster doppelbrechender optischer Keil einen Keilwinkel aufweist, der doppelt so groß ist wie ein Keilwinkel des im Strahlweg zweiten doppelbrechenden optischen Keils. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für die Einkopplung der Teillaserstrahlen in eine Vierfachclad-Faser. Die Strahlweiche kann in diesem Fall nur die zwei gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keile aufweisen, wobei in diesem Fall maximal vier Teillaserstrahlen in die vier lichtleitenden Kerne der Vierfachclad-Faser eingekoppelt werden können. In diesem Fall ist zwischen den beiden doppelbrechenden optischen Keilen eine polarisationsbeeinflussende Einrichtung angeordnet. Vor dem ersten doppelbrechenden optischen Keil kann ggf. zusätzlich eine polarisationsbeeinflussende Einrichtung vorgesehen sein.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Strahlweiche im Strahlweg des Laserstrahls vor den zwei gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen einen entgegengesetzt orientierten doppelbrechenden optischen Keil auf, dessen Keilwinkel dem 3-Fachen des Keilwinkels des im Strahlweg zweiten der gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keile entspricht. Auf diese Weise kann die weiter oben beschriebene Bedingung an die Keilwinkel der doppelbrechenden optischen Keile eingehalten werden. Für den Fall, dass der einfallende Laserstrahl eine Polarisationsrichtung aufweist, die senkrecht oder parallel zur optischen Achse der doppelbrechenden optischen Keile ausgerichtet ist, kann auf den entgegengesetzt orientierten doppelbrechenden optischen Keil verzichtet werden oder dieser kann durch einen optischen Keil aus einem nicht doppelbrechenden Material ersetzt werden.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Einkoppeloptik zur Einkopplung mindestens eines Teillaserstrahls, bevorzugt jeweils mindestens eines Paars von Teillaserstrahlen mit zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen, in jeweils einen lichtleitenden Kern einer rotationssymmetrischen Vierfachclad-Faser ausgebildet. Auch bei der auf die weiter oben beschriebene Weise ausgebildeten Strahlweiche kann eine polarisationsunabhängige Einkopplung der Teillaserstrahlen in die lichtleitenden Kerne der Vierfachclad-Faser erfolgen.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform weist die Strahlweiche typischerweise zwei polarisationsbeeinflussende Einrichtungen auf, die zwischen jeweils zwei im Strahlweg aufeinanderfolgenden doppelbrechenden optischen Keilen angeordnet sind. Grundsätzlich ist es bei der hier beschriebenen Strahlweiche möglich, in jeden der lichtleitenden Kerne 100% der Leistung des Laserstrahls einzukoppeln. Aufgrund der Tatsache, dass nur zwei Freiheitsgrade für die Einstellung der Teilungsverhältnisse zwischen den lichtleitenden Kernen vorhanden sind, kann die Leistung des Laserstrahls jedoch nicht in beliebiger Weise auf die vier lichtleitenden Kerne der Vierfachclad-Faser verteilt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung zur Einstellung der polarisationsbeeinflussenden Wirkung der mindestens einen polarisationsbeeinflussende Einrichtung, um ein Teilungsverhältnis des Laserstrahls bei der Einkopplung in die mindestens zwei verschiedenen lichtleitenden Kerne der Mehrfachclad-Faser einzustellen. Die Steuerungseinrichtung dient zur elektronischen Ansteuerung der polarisationsdrehenden Einrichtung. Die polarisationsbeeinflussende Einrichtung ermöglicht eine Veränderung des Polarisationszustandes eines jeweiligen auftreffenden Teillaserstrahls. Bei der Veränderung kann es sich beispielsweise um eine Drehung des elektrischen Feldstärkevektors eines jeweiligen auftreffenden Teillaserstrahles um einen Drehwinkel um die jeweilige Propagationsrichtung des Teillaserstrahls handeln.
Typischerweise ist die polarisationsbeeinflussende Einrichtung zur stufenlosen Einstellung der polarisationsbeeinflussenden Wirkung ausgebildet. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann als polarisationsbeeinflussende Einrichtung eine drehbar gelagerte Verzögerungsplatte verwendet werden. Hat die Einrichtung eine polarisationsdrehende Wirkung, kann z.B. der Drehwinkel kontinuierlich verändert bzw. eingestellt werden. Bei der polarisationsbeeinflussenden Einrichtung kann es sich in diesem Fall beispielsweise um eine Verzögerungsplatte in Form einer drehbar gelagerten X/2-Platte handeln, die mit Hilfe der Steuerungseinrichtung, die auf einen geeigneten Aktuator einwirkt, um die optische Achse der Strahlweiche gedreht werden kann. Bei der polarisationsbeeinflussenden Einrichtung kann es sich alternativ um eine Pockelszelle handeln, die ebenfalls elektronisch ansteuerbar ist und die eine Beeinflussung des Polarisationszustandes, insbesondere eine Drehung der Polarisationsrichtung, eines einfallenden Teillaserstrahls bewirkt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung zur Einstellung einer polarisationsbeeinflussenden Wirkung der mindestens einen polarisationsbeeinflussenden Einrichtung ausgebildet, bei der in mindestens einen der lichtleitenden Kerne der Mehrfachclad-Faser keine Leistung des Laserstrahls eingekoppelt wird und/oder bei der in mindestens einen der lichtleitenden Kerne der Mehrfachclad-Faser die gesamte Leistung des Laserstrahls eingekoppelt wird.
Für den Fall, dass die Anzahl der polarisationsbeeinflussenden Einrichtungen in Form von polarisationsdrehenden Einrichtungen der Anzahl der lichtleitenden Kerne der Mehrfachclad-Faser minus Eins entspricht, ist typischerweise die Einstellung eines beliebigen Teilungsverhältnisses zwischen den lichtleitenden Kernen möglich, d.h. die Leistung des Laserstrahls kann beliebig auf die lichtleitenden Kerne aufgeteilt werden. In einen jeweiligen lichtleitenden Kern können somit zwischen 0% und 100% der Leistung des Laserstrahls eingekoppelt werden. Im ersten Fall (Einkopplung von 0%) werden in den jeweiligen lichtleitenden Kem keine Teillaserstrahlen eingekoppelt, im zweiten Fall werden in den jeweiligen lichtleitenden Kem alle Teillaserstrahlen eingekoppelt, die aus der Strahlweiche austreten. Beispielsweise kann im Fall einer Doppelclad-Faser die gesamte Leistung des Laserstrahls in den inneren lichtleitenden Kem eingekoppelt werden, wenn die polarisationsbeeinflussende Einrichtung keine polarisationsbeeinflussende Wirkung erzeugt. Für den Fall, dass die polarisationsbeeinflussende Einrichtung eine Polarisationsdrehung um 90° bewirkt, kann die gesamte Leistung des Laserstrahls in den ringförmigen lichtleitenden Kem der Doppelclad-Faser eingekoppelt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der in die Strahlweiche eintretende Laserstrahl linear polarisiert und die Strahlweiche weist im Strahlweg vor dem ersten doppelbrechenden optischen Keil ein X/4-Verzögerungselement auf. Das X/4- Verzögerungselement kann beispielsweise als X/4-Platte ausgebildet sein, deren Vorzugsachse unter 45° zur optischen Achse der doppelbrechenden optischen Keile der Strahlweiche ausgerichtet ist. In diesem Fall wird die Leistung des Laserstrahls durch das X/4-Verzögerungselement mit einem Teilungsverhältnis von 50 : 50 parallel bzw. senkrecht zur optischen Achse der doppelbrechenden optischen Keile ausgerichtet, unabhängig von der Ausrichtung der linearen Polarisation des eintretenden Laserstrahls. Dies führt dazu, dass zwei Teillaserstrahlen, die in denselben lichtleitenden Kem eingekoppelt werden, stets die gleiche Leistung aufweisen.
Die Erfindung betrifft auch ein optisches System, umfassend: eine Mehrfachclad- Faser, bevorzugt eine Doppelclad-Faser, eine Dreifachclad-Faser oder eine Vierfachclad-Faser, sowie eine Vorrichtung, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist, zur Einkopplung des Laserstrahls in die Mehrfachclad-Faser. Das optische System umfasst typischerweise auch einen Laser, der zur Erzeugung des Laserstrahls dient, der in die Strahlweiche eingekoppelt wird. Die Laserwellenlänge des Laserstrahls ist grundsätzlich beliebig und an das Material der optischen Elemente der Strahlweiche, der Einkoppeloptik und der Mehrfachclad-Faser angepasst. Für den Fall, dass die Wellenlänge des Laserstrahls bei 1030 nm liegt, könne die doppelbrechenden optischen Keile beispielsweise aus kristallinem Quarz hergestellt werden, der für diese Wellenlänge transparent ist.
Bei dem weiter oben beschriebenen optischen System kann die Leistungsverteilung in der Mehrfachclad-Faser mit Hilfe der polarisationsbeeinflussenden Einrichtungen unabhängig von der Polarisation des in die Strahlweiche eintretenden Laserstrahls eingestellt werden. Die Leistungsverteilung in der Mehrfachclad-Faser ist zudem unabhängig von der räumlichen Intensitätsverteilung des eintretenden Laserstrahls sowie weitestgehend unabhängig vom Pointing des eintretenden Laserstrahls.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems, das eine Mehrfachclad-Faser und eine Vorrichtung zur Einkopplung eines Laserstrahls in die Mehrfachclad-Faser aufweist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Laserstrahls beim Durchtritt durch einen doppelbrechenden optischen Keil einer Strahlweiche der Vorrichtung von Fig. 1 ,
Fig. 3 eine schematische Darstellung analog zu Fig. 1 , bei der die Vorrichtung zur Einkopplung des Laserstrahls in eine Doppelclad-Faser ausgebildet ist,
Fig. 4a-c schematische Darstellungen analog zu Fig. 1 , bei denen die Vorrichtung zur Einkopplung des Laserstrahls in eine Dreifachclad-Faser ausgebildet ist,
Fig. 5 eine schematische Darstellung analog zu Fig. 4a-c, bei welcher die Vorrichtung zur Einkopplung des Laserstrahls in eine Vierfachclad-Faser ausgebildet ist, sowie
Fig. 6 eine schematische Darstellung analog zu Fig. 1 mit einer weiteren Vorrichtung, die zur Einkopplung des Laserstrahls in eine Vierfachclad- Faser ausgebildet ist.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet. Fig. 1 zeigt ein optisches System 1 , das einen Laser 2 zur Erzeugung eines Laserstrahls 3 aufweist. Der aus dem Laser 2 austretende Laserstrahl 3 tritt in eine Vorrichtung 4 ein, die zur Einkopplung des Laserstrahls 3 in eine Mehrfachclad-Faser 5 ausgebildet ist. Die Vorrichtung 4 weist eine Strahlweiche 6 und eine Einkoppeloptik 7 auf. Die Strahlweiche 6 dient zur Aufteilung des Laserstrahls 3 auf eine typischerweise gerade Anzahl von Teillaserstrahlen 3.1 , ... , 3.M, die aus der Strahlweiche 6 austreten. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel verlaufen zwei der Teillaserstrahlen 3.1 , ... , 3.M parallel zu einer optischen Achse 8 der Strahlweiche 6, während die übrigen Teillaserstrahlen 3.1 , ... , 3. M jeweils unter einem Winkel zur optischen Achse 8 der Strahlweiche 6 ausgerichtet sind.
Mit Hilfe der Einkoppeloptik 7 wird die Winkelverteilung der Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... in eine Ortsverteilung an einer Stirnseite der Mehrfachclad-Faser 5 umgewandelt, die in der Brennebene der Einkoppeloptik 7 liegt. Die Austrittswinkel der Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... aus der Strahlweiche 6 sind auf die Einkoppeloptik 7 abgestimmt und führen zu Ortsversätzen in der Brennebene der Einkoppeloptik 7, die so auf die Mehrfachclad-Faser 5 abgestimmt sind, dass die Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... an den Positionen von zwei oder mehr lichtleitenden Kernen in die Mehrfachclad-Faser 5 eingekoppelt werden. Bei der Einkoppeloptik 7 kann es sich im einfachsten Fall um eine Fokussierlinse handeln, die Einkoppeloptik 7 kann aber auch mehrere transmittierende oder reflektierende optische Elemente aufweisen.
Bei der Mehrfachclad-Faser 5 kann es sich um eine lineare Mehrfachclad-Faser handeln, bei der mehrere lichtleitende Kerne nebeneinander angeordnet sind, in welche die Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... eingekoppelt werden. Alternativ kann es sich um eine Gitter-Mehrfachclad-Faser handeln, in der mehrere lichtleitende Kerne in Zeilen und Spalten angeordnet sind, oder um eine rotationssymmetrische Mehrfachclad-Faser.
Für die Aufteilung des Laserstrahls 3 auf die Mehrzahl von Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... weist die Strahlweiche 6 mindestens zwei doppelbrechende optische Keile auf. Die Wirkung eines im Strahlweg ersten optischen Keils 9a der Strahlweiche 6 auf den Laserstrahl 3 wird nachfolgend anhand von Fig. 2 näher beschrieben. Der Laserstrahl 3 weist zwei Polarisationskomponenten s, p auf, bei denen der elektrische Feldstärkevektor parallel zur Zeichenebene bzw. senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet ist, die der XZ-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems entspricht. Der doppelbrechende optische Keil 9a ist aus einem uniaxialen Kristall hergestellt, beispielsweise aus Quarz oder aus Calcit. Die optische Achse 0 des doppelbrechenden optischen Keils 9a ist senkrecht zur optischen Achse 8 der Strahlweiche 6 (in X-Richtung) ausgerichtet. Beim Durchtritt durch das optisch anisotrope doppelbrechende Material des doppelbrechenden optischen Keils 9a wird der Laserstrahl 3 in einen ersten, s-polarisierten Teillaserstrahl 3.1 und in einen zweiten, p-polarisierten Teillaserstrahl 3.2 aufgeteilt. Der erste Teillaserstrahl 3.1 , der den ordentlichen Strahl bildet, ist unter einem ersten Winkel ß zur optischen Achse 8 ausgerichtet. Der zweite Teillaserstrahl 3.2, der den außerordentlichen Strahl bildet, ist unter einem zweiten Winkel y zur optischen Achse 8 ausgerichtet. Beim Durchtritt durch den doppelbrechenden optischen Keil 8a wird somit eine Winkeldifferenz ö = y - ß zwischen dem ersten und zweiten Teillaserstrahl 3.1 , 3.2 erzeugt. Die Größe der Winkeldifferenz ö hängt von der Art des verwendeten doppelbrechenden Materials sowie vom Keilwinkel a des doppelbrechenden optischen Keils 9a ab. Die Winkeldifferenz ö bestimmt gemeinsam mit der Brennweite f der Einkoppeloptik 7 einen lateralen Abstand Ax des ersten und zweiten Teillaserstrahls 3.1 , 3.2 in der Brennebene der Einkoppeloptik 7, wobei näherungsweise gilt: Ax = f ö.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel ist eine Strahleintrittsfläche 10a des doppelbrechenden optischen Keils 9a senkrecht zur optischen Achse 8 der Strahlweiche 6 ausgerichtet. Eine Strahlaustrittsfläche 10b des doppelbrechenden optischen Keils 8a ist in Bezug auf die XY-Ebene senkrecht zur optischen Achse 8 unter dem Keilwinkel a ausgerichtet.
Fig. 3 zeigt ein optisches System 1 mit einer Strahlweiche 6, die einen im Strahlweg ersten doppelbrechenden optischen Keil 9a aufweist, der wie in Fig. 2 ausgebildet ist. Ein im Strahlweg zweiter doppelbrechender optischer Keil 9b ist baugleich bzw. identisch zum ersten doppelbrechenden optischen Keil 9a ausgebildet und gegenüber diesem in der XZ-Ebene, die der Zeichenebene entspricht, um 180° gedreht. Die Strahlaustrittsfläche 10b des ersten doppelbrechenden optischen Keils 9a ist hierbei parallel zu einer Strahleintrittsfläche 11a des zweiten doppelbrechenden optischen Keils 9b ausgerichtet. Eine Strahlaustrittsfläche 11b des zweiten doppelbrechenden optischen Keils 9b ist senkrecht zur optischen Achse
8 der Strahlweiche 6 ausgerichtet. Die Keilwinkel a der beiden doppelbrechenden optischen Keile 9a, 9b sind gleich groß.
Der in die Strahlweiche 6 eintretende Laserstrahl 3 tritt durch den ersten doppelbrechenden optischen Keil 9a hindurch und wird auf die beiden Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2 aufgeteilt, wie dies in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde. Die beiden Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2 treffen auf eine polarisationsbeeinflussende Einrichtung 12, die in Form einer drehbaren X/2-Platte ausgebildet ist. Die polarisationsbeeinflussende Einrichtung 12 in Form der drehbaren X/2-Platte weist eine polarisationsdrehende Wirkung auf und wird daher nachfolgend als polarisationsdrehende Einrichtung 12 bezeichnet. Eine Steuerungseinrichtung 13 dient zur elektronischen Ansteuerung der polarisationsdrehenden Einrichtung 12. Im gezeigten Beispiel dient die Steuerungseinrichtung 13 zur Drehung der X/2-Platte um die optische Achse 8 der Strahlweiche 6. Auf diese Weise kann die polarisationsdrehende Wirkung der polarisationsdrehenden Einrichtung 12, genauer gesagt der Drehwinkel bei der Drehung der Polarisationsrichtung, stufenlos eingestellt werden. Durch die Drehung der Polarisationsrichtung wird aus dem s-polarisierten ersten Teillaserstrahl 3.1 , der in die polarisationsdrehende Einrichtung 12 eintritt, ein austretender erster Teillaserstrahl 3.T gebildet, der sowohl einen s-polarisierten als auch einen p- polarisierten Polarisationsanteil aufweist. Entsprechend wird auch aus dem p- polarisierten zweiten Teillaserstrahl 3.2 ein austretender zweiter Teillaserstrahl 3.2' gebildet, der s- und p-polarisierte Polarisationsanteile aufweist.
Die beiden aus der polarisationsdrehenden Einrichtung 12 austretenden Teillaserstrahlen 3.T, 3.2' durchlaufen den im Strahlweg zweiten doppelbrechenden optischen Keil 9b und werden hierbei auf insgesamt vier Teillaserstrahlen 3.1 bis 3.4 aufgespalten. Zwei der Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2 treten parallel zur optischen Achse 8 ausgerichtet aus dem zweiten doppelbrechenden Keil 9b aus. Die beiden anderen Teillaserstrahlen 3.3, 3.4 treten unter einem Winkel zur optischen Achse 8 der Strahlweiche 6 ausgerichtet aus dem zweiten doppelbrechenden optischen Keil 9b aus. Wie in Fig. 3 ebenfalls zu erkennen ist, werden der erste und der zweite Teillaserstrahl 3.1 , 3.2, die beim Austritt aus der Strahlweiche 6 parallel zum einfallenden Laserstrahl 3 bzw. zur optischen Achse 8 der Strahlweiche 6 ausgerichtet sind, in einen inneren lichtleitenden Kem 14a der Mehrfachclad-Faser 5 eingekoppelt, die als rotationssym metrische Doppelclad-Faser ausgebildet ist. Der dritte und der vierte Teillaserstrahl 3.3, 3.4 werden in einen zweiten lichtleitenden Kem 14b der Doppelclad-Faser 5 eingekoppelt, der ringförmig ausgebildet ist und den inneren lichtleitenden Kem 14a umgibt, wie anhand des in Fig. 3 rechts dargestellten Querschnitts der Doppelclad-Faser 5 erkennbar ist. Eine optische Achse 8a der Einkoppeloptik 7 und die zentrale Achse der Doppelclad-Faser 5 sind hierbei gegenüber der optischen Achse 8 der Strahlweiche 6 lateral versetzt, und zwar um den Betrag, um den die beiden Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2 am Austritt aus der Strahlweiche 6 in Bezug auf den einfallenden Laserstrahl 3 parallel zur optischen Achse 8 versetzt wurden. Dies ermöglicht es, dass die Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... mit möglichst kleinen Einfallswinkeln auf das eintrittsseitige Ende der Doppelclad- Faser 5 auftreffen.
In Fig. 3 sind s-polarisierte Teillaserstrahlen 3.1 , 3.4 durch weiße Pfeile dargestellt und p-polarisierte Teillaserstrahlen 3.2, 3.3 sind durch schwarze Pfeile dargestellt. Wie in Fig. 3 erkennbar ist, wird ein erstes Paar von Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2 mit unterschiedlichem Polarisationszustand (s- bzw. p-Polarisation) in den inneren lichtleitenden Kem 14a der Doppelclad-Faser 5 und ein zweites Paar von Teillaserstrahlen 3.3, 3.4 mit unterschiedlichem Polarisationszustand (s- bzw. p- Polarisation) in den ringförmigen lichtleitenden Kem 14b der Doppelclad-Faser 5 eingekoppelt. Sowohl im inneren lichtleitenden Kem 14a als auch in dem ringförmigen lichtleitenden Kem 14b ist die Anzahl von s- bzw. p-polarisierten Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2 bzw. 3.3, 3.4 gleich groß, d.h. die Einkopplung des Laserstrahls 3 in die jeweiligen Kerne 14a, 14b der Doppelclad-Faser 5 erfolgt polarisationsunabhängig.
Das Teilungsverhältnis, d.h. der jeweilige Anteil der Leistung des Laserstrahls 3, der in den inneren lichtleitenden Kem 14a und in den ringförmigen lichtleitenden Kem 14b eingekoppelt wird, kann durch die Ansteuerung der polarisationsbeeinflussenden Einrichtung 12 mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 13 eingestellt werden. Grundsätzlich kann die Leistung des Laserstrahls 3 beliebig auf die beiden lichtleitenden Kerne 14a, 14b aufgeteilt werden, d.h. in einen jeweiligen lichtleitenden Kem 14a, 14b können zwischen 0% und 100% der Leistung des Laserstrahls 3 eingekoppelt werden. Die polarisationsdrehende Wirkung der polarisationsdrehenden Einrichtung 12 kann insbesondere so gewählt werden, dass in einen jeweiligen lichtleitenden Kern 14a, 14b keine Leistung des Laserstrahls 3 eingekoppelt wird, während in den jeweils anderen lichtleitenden Kem 14b, 14a die gesamte Leistung des Laserstrahls 3 eingekoppelt wird.
Fig. 4a-c zeigen ein optisches System 1 , bei dem die Mehrfachclad-Faser 5 als Dreifachclad-Faser ausgebildet ist und einen inneren lichtleitenden Kem 14a sowie zwei ringförmige lichtleitende Kerne 14b, 14c aufweist, die den inneren lichtleitenden Kem 14a umgeben. Wie in Fig. 4a zu erkennen ist, ist die Strahlweiche 6 in diesem Fall ausgebildet, den einfallenden Laserstrahl 3 auf insgesamt acht Teillaserstrahlen 3.1 bis 3.8 aufzuteilen. Zu diesem Zweck weist die Strahlweiche 6 drei doppelbrechende optische Keile 9a, 9b, 9c auf. Der im Strahlweg zweite und dritte doppelbrechende optische Keil 9b, 9c weisen in Bezug auf die optische Achse 8 dieselbe Orientierung auf, der im Strahlweg erste doppelbrechende optische Keil 9a ist entgegengesetzt zu dem im Strahlweg zweiten und dritten doppelbrechenden optischen Keil 9b, 9c orientiert.
Der im Strahlweg zweite und dritte doppelbrechende optische Keil 9b, 9c weisen denselben Keilwinkel a auf. Der im Strahlweg erste doppelbrechende optische Keil 9a weist einen Keilwinkel 2 a auf, der doppelt so groß ist wie der Keilwinkel a des zweiten und dritten doppelbrechenden optischen Keils 9b, 9c. Die drei doppelbrechenden optischen Keile 9a-c sind aus demselben doppelbrechenden optischen Material hergestellt.
Zwei Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2 der insgesamt acht Teillaserstrahlen 3.1 bis 3.8, die aus der Strahlweiche 6 austreten, sind parallel zur optischen Achse 8 der Strahlweiche 6 bzw. zum einfallenden Laserstrahl 3 ausgerichtet und werden wie in Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben von der Einkoppeloptik 7 und in den inneren lichtleitenden Kem 14a der Mehrfachclad-Faser 5 eingekoppelt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 4a-c und in den nachfolgenden Darstellungen der laterale Versatz zwischen der optischen Achse 8 der Strahlweiche 6 und der optischen Achse 8a der Einkoppeloptik 7 nicht gezeigt. Von den übrigen sechs Teillaserstrahlen 3.3 bis 3.8 werden vier Teillaserstrahlen 3.3 bis 3.6 in den zweiten lichtleitenden Kern 14b der Dreifachclad-Faser 5 eingekoppelt und zwei Teillaserstrahlen 3.7, 3.8 werden in den dritten lichtleitenden Kem 14c der Dreifachclad-Faser 5 eingekoppelt. Die in den jeweiligen Kem 14a-c eingekoppelten Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2; 3.3 bis 3.6; 3.7, 3.8 sind jeweils paarweise unterschiedlich polarisiert, wie in Fig. 4a durch in den Querschnitt der Dreifachclad-Faser 5 eingezeichnete Kreise angedeutet ist. Weiße Kreise entsprechen hierbei s- polarisierten Teillaserstrahlen, während schwarze Kreise p-polarisierten Teillaserstrahlen entsprechen.
Wie in Fig. 4a ebenfalls zu erkennen ist, weist die Strahlweiche 6 zwei polarisationsdrehende Einrichtungen 12a, 12b auf, die zur Verteilung der Leistung des Laserstrahls 3 auf die drei lichtleitenden Kerne 14a-c der Dreifachclad-Faser mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 13 elektronisch angesteuert werden. Auch bei der in Fig. 4a gezeigten Vorrichtung 4 kann hierbei in einen jeweiligen lichtleitenden Kem 14a-c zwischen 0% und 100% der Leistung des Laserstrahls 3 eingekoppelt werden.
Fig. 4b zeigt den Fall, dass die Steuerungseinrichtung 13 die im Strahlweg erste polarisationsdrehende Einrichtung 12a so ansteuert, dass diese keine polarisationsdrehende Wirkung aufweist, d.h. die optische Achse der X/2-Platte ist entweder in X-Richtung oder in Y-Richtung ausgerichtet. Dies hat zur Folge, dass an dem zweiten doppelbrechenden optischen Keil 9b keine Aufspaltung der beiden Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2 erfolgt, die am ersten doppelbrechenden optischen Keil 9a gebildet wurden. Entsprechend werden von der Strahlweiche 6 in diesem Fall lediglich vier Teillaserstrahlen 3.1 bis 3.4 erzeugt, die in den ersten und zweiten lichtleitenden Kem 14a, 14b eingekoppelt werden.
Durch die Einstellung der polarisationsdrehenden Wirkung der zweiten polarisationsdrehenden Einrichtung 12b kann das Teilungsverhältnis bei der Einkopplung in den ersten und zweiten lichtleitenden Kem 14a, 14b eingestellt werden. Weist die zweite polarisationsdrehende Einrichtung 12b keine polarisationsdrehende Wirkung auf, weil deren optische Achse in X-Richtung oder in Y-Richtung ausgerichtet ist, treten aus der Strahlweiche 6 lediglich der erste und der zweite Teillaserstrahl 3.1 , 3.2 aus, die in den inneren lichtleitenden Kern 14a eingekoppelt werden. Ist die optische Achse der zweiten polarisationsdrehenden Einrichtung 12b unter 45° zur X-Richtung und Y-Richtung ausgerichtet, werden zwei Teillaserstrahlen 3.3, 3.4 erzeugt, die in den ersten ringförmigen lichtleitenden Kem 14b eingekoppelt werden.
Fig. 4c zeigt den Fall, dass die Steuerungseinrichtung 13 die im Strahlweg zweite polarisationsdrehende Einrichtung 12a so ansteuert, dass diese keine polarisationsdrehende Wirkung aufweist, d.h. die optische Achse der X/2-Platte ist entweder in X-Richtung oder in Y-Richtung ausgerichtet. In diesem Fall erfolgt an dem im Strahlweg dritten doppelbrechenden optischen Keil 9c keine Aufspaltung der vier Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.7, 3.8, die beim Durchtritt durch den zweiten doppelbrechenden optischen Keil 9b gebildet wurden. Entsprechend werden von der Strahlweiche 6 in diesem Fall lediglich vier Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.7, 3.8 erzeugt, die in den ersten und dritten lichtleitenden Kern 14a, 14c eingekoppelt werden. Durch die Einstellung der polarisationsdrehenden Wirkung der ersten polarisationsdrehenden Einrichtung 12a kann auch in diesem Fall das Teilungsverhältnis bei der Einkopplung in den ersten und dritten lichtleitenden Kern 14a, 14c eingestellt werden. Weist die erste polarisationsdrehende Einrichtung 12a keine polarisationsdrehende Wirkung auf, treten aus der Strahlweiche 6 lediglich der erste und der zweite Teillaserstrahl 3.1 , 3.2 aus, die in den inneren lichtleitenden Kem 14a eingekoppelt werden. Ist die optische Achse der ersten polarisationsdrehenden Einrichtung 12a unter 45° zur X-Richtung bzw. Y-Richtung ausgerichtet, werden zwei Teillaserstrahlen 3.7, 3.8 erzeugt, die in den zweiten ringförmigen lichtleitenden Kem 14c eingekoppelt werden.
Für den Fall, dass in alle drei lichtleitenden Kerne 14a-c dieselbe Leistung eingekoppelt werden soll, wird die erste polarisationsdrehende Einrichtung 12a in Form der X/2-Platte unter einem Winkel von 22,5° zur X-Richtung bzw. zur Y- Richtung ausgerichtet. Die zweite polarisationsdrehende Einrichtung 12b in Form der X/2-Platte wird unter einem Winkel von 17,63° zur X-Richtung bzw. zur Y-Richtung ausgerichtet. Bei der in Fig. 4a-c beschriebenen Vorrichtung 4 ist es grundsätzlich günstig, wenn die Abstände zwischen den lichtleitenden Kernen 14a-c bzw. zwischen den in benachbarte lichtleitende Kerne 14a-c eingekoppelten Teillaserstrahlen 3.1 ,
3.2, ... annähernd gleich groß sind.
Für den Fall, dass der einfallende Laserstrahl 3 linear polarisiert ist, kann ein in Fig. 4a angedeutetes X/4-Verzögerungselement 15 im Strahlweg vor dem ersten doppelbrechenden optischen Keil 9a angeordnet werden. Die optische Achse des X/4-Verzögerungselements 15 ist in diesem Fall unter 45° zur X-Richtung bzw. zur optischen Achse des ersten doppelbrechenden optischen Keils 9a ausgerichtet. Die Leistung des linear polarisierten Laserstrahls 3 wird von dem X/2- Verzögerungselement 15 mit einem Teilungsverhältnis von 50 : 50 auf zwei in X- Richtung bzw. in Y-Richtung ausgerichtete Polarisationsanteile aufgeteilt, wobei die Aufteilung unabhängig von der Ausrichtung des elektrischen Feldstärkevektors des einfallenden linear polarisierten Laserstrahls 3 ist. Dies hat zur Folge, dass jeweils zwei Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... mit unterschiedlichen Polarisationszuständen, die in denselben lichtführenden Kem 14a-c der Dreifachclad-Faser 5 eingekoppelt werden, dieselbe Leistung aufweisen.
Für den Fall, dass der einfallende Laserstrahl 3 linear polarisiert ist und dessen elektrischer Feldstärkevektor in X-Richtung oder in Y-Richtung orientiert ist, können in der Strahlweiche 6 maximal vier Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... erzeugt werden. In diesem Fall kann auf den ersten doppelbrechenden optischen Keil 9a verzichtet werden. Alternativ kann an Stelle des ersten doppelbrechenden optischen Keils 9a ein optischer Keil in der Strahlweiche 6 angeordnet werden, der nicht aus einem doppelbrechenden Material hergestellt ist und der einen Keilwinkel von 2a aufweist.
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung 4, die zur Einkopplung des Laserstrahls 3 in eine radialsymmetrische Vierfachclad-Faser 5 ausgebildet ist, die einen inneren lichtleitenden Kem 14a und drei ringförmige lichtleitende Kerne 14b-d aufweist, die den inneren lichtleitenden Kem 14a umgeben. Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung 4 unterscheidet sich von der in Fig. 4a-c gezeigten Vorrichtung 4 dadurch, dass diese drei gleich orientierte doppelbrechende optische Keile 9b, 9c, 9d sowie drei polarisationsdrehende Einrichtungen 12a-c aufweist, die zwischen jeweils zwei im Strahlweg aufeinanderfolgenden doppelbrechenden optischen Keilen 9a, 9b; 9b, 9c; 9c, 9d angeordnet sind. Ein im Strahlweg erster doppelbrechender optischer Keil 9a weist einen Keilwinkel 3 a auf, der dem Dreifachen der (identischen) Keilwinkel a der drei gleich orientierten Keile 9b-c entspricht.
Die Strahlweiche 6 der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung 4 ermöglicht es, maximal sechzehn Teillaserstrahlen 3.1 bis 3.16 in die Vierfachclad-Faser 5 einzukoppeln. Die Aufteilung auf die Teillaserstrahlen 3.1 bis 3.16 erfolgt auf die weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 4a-c beschriebene Weise. Zwei der Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2 treten aus der Strahlweiche 6 parallel zum einfallenden Laserstrahl 3 aus und werden in den inneren lichtleitenden Kem 14a der Vierfachclad-Faser 5 eingekoppelt. In den ersten und zweiten ringförmigen lichtleitenden Kem 14b, 14c werden jeweils sechs der Teillaserstrahlen 3.1 bis 3.16 eingekoppelt und in den dritten ringförmigen lichtleitenden Kem 14d werden zwei der Teillaserstrahlen 3.1 bis 3.16 eingekoppelt. Die Einstellung des Teilungsverhältnisses erfolgt mit Hilfe der drei polarisationsdrehenden Einrichtungen 12a-c auf die in Zusammenhang mit Fig. 4a-c beschriebene Weise.
Für den Fall, dass der einfallende Laserstrahl 3 linear polarisiert ist und dessen elektrischer Feldstärkevektor in X-Richtung oder in Y-Richtung orientiert ist, können in der Strahlweiche 6 maximal acht Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... erzeugt werden. In diesem Fall kann auf den ersten doppelbrechenden optischen Keil 9a verzichtet werden oder es kann an Stelle des ersten doppelbrechenden optischen Keils 9a ein optischer Keil in der Strahlweiche 6 angeordnet werden, der nicht aus einem doppelbrechenden Material hergestellt ist und der einen Keilwinkel von 3 a aufweist. Bei dem Material des optischen Keils kann es sich um ein amorphes (Glas-)Material handeln, beispielsweise um Quarzglas.
Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung 4, die ebenso wie die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung 4 zur Einkopplung des Laserstrahls 3 in eine Vierfachclad-Faser 5 ausgebildet ist. Die Vorrichtung 4 weist drei doppelbrechende optische Keile 9a-c auf. Der im Strahlweg zweite und dritte doppelbrechende optische Keil 9b, 9c sind gleich orientiert, der im Strahlweg erste doppelbrechende optische Keil 9a ist entgegengesetzt zu den beiden anderen Keilen 9b, 9c orientiert. Der zweite doppelbrechende optische Keil 9b weist einen Keilwinkel 2 a auf, der doppelt so groß ist wie der Keilwinkel a des dritten doppelbrechenden optischen Keils 9c. Der erste doppelbrechende optische Keil 9a weist einen Keilwinkel 3 a auf, der dem 3-Fachen des Keilwinkels a des dritten doppelbrechenden optischen Keils 9c entspricht.
Wie in Fig. 6 zu erkennen ist, ist die Strahlweiche 6 zur Erzeugung von bis zu acht Teillaserstrahlen 3.1 bis 3.8 ausgebildet. Jeweils zwei unterschiedlich polarisierte Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... werden in einen der lichtleitenden Kerne 14a-d der Vierfachclad-Faser 5eingekoppelt. Zwei der Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, die aus der Strahlweiche 6 austreten und parallel zur optischen Achse 8 bzw. zur Strahlrichtung Z des einfallenden Laserstrahls 3 ausgerichtet sind, werden hierbei in den inneren lichtleitenden Kem 14a der Vierfachclad-Faser 5 eingekoppelt.
Für den Fall, dass der einfallende Laserstrahl 3 linear polarisiert ist und dessen elektrischer Feldstärkevektor in X-Richtung oder in Y-Richtung orientiert ist, können in der Strahlweiche 6 maximal vier Teillaserstrahlen 3.1 , 3.2, ... erzeugt werden. In diesem Fall kann auf den ersten doppelbrechenden optischen Keil 9a verzichtet werden oder es kann an Stelle des ersten doppelbrechenden optischen Keils 9a ein optischer Keil in der Strahlweiche 6 angeordnet werden, der aus einem amorphen Material hergestellt ist. Der optische Keil sollte einen Keilwinkel von 3a aufweisen.
Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung 4 weist zwei polarisationsdrehende Einrichtungen 12a, 12b auf. Für die Aufteilung der Leistung des Laserstrahls 3 auf die vier lichtleitenden Kerne 14a-d der Vierfachclad-Faser 5 stehen daher lediglich zwei Freiheitsgrade zur Verfügung. Anders als bei den weiter oben beschriebenen Beispielen ist daher eine beliebige Aufteilung der Leistung des Laserstrahls 3 auf die vier lichtführenden Kerne 14a-d nicht möglich, d.h. es können nicht beliebige Teilungsverhältnisse eingestellt werden. Es ist jedoch dennoch möglich, die gesamte Leistung des Laserstrahls 3 in einen der lichtleitenden Kerne 14a-d einzukoppeln.
An Stelle der weiter oben beschriebenen polarisationsdrehenden Einrichtungen 12, 12a, 12b in Form von drehbaren X/2-Platten können auch polarisationsbeeinflussende Einrichtungen 12, 12a, 12b, ... verwendet werden, die eine Verzögerungswirkung aufweisen, die den Polarisationszustand des Laserstrahls 3 bzw. der Teilstrahlen 3.1 , 3.2, ... verändert, aber keine Drehung der Polarisationsrichtung bewirken. Beispielsweise kann es sich bei den polarisationsbeeinflussenden Einrichtungen 12, 12a, 12b, ... um drehbare X/4-Platten handeln.

Claims

Patentansprüche Vorrichtung (4) zum Einkoppeln eines Laserstrahls (3) in eine Mehrfachclad-Faser
(5), umfassend: eine Strahlweiche (6) zur Aufteilung des Laserstrahls (3) auf eine Mehrzahl von Teillaserstrahlen (3.1 , 3.2, ...), wobei die Strahlweiche (6) mindestens zwei doppelbrechende optische Keile (9a, 9b, ...) sowie mindestens eine polarisationsbeeinflussende Einrichtung (12; 12a, 12b, ...) mit einstellbarer polarisationsbeeinflussender Wirkung umfasst, die zwischen den doppelbrechenden optischen Keilen (9a, 9b, ... ) angeordnet ist, sowie eine Einkoppeloptik (7) zur Einkopplung der aus der Strahlweiche (6) austretenden Teillaserstrahlen (3.1 , 3.2, ...) in die Mehrfachclad-Faser (5), wobei die Einkoppeloptik (7) ausgebildet ist, mindestens zwei der aus der Strahlweiche
(6) austretenden Teillaserstrahlen (3.1 , 3.2, ...) in mindestens zwei verschiedene lichtleitende Kerne (14a, 14b, ... ) der Mehrfachclad-Faser (5) einzukoppeln. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Mehrfachclad-Faser (5) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und einen inneren lichtleitenden Kem (14a) und mindestens einen ringförmigen lichtleitenden Kem (14b, 14c, 14d) aufweist, und bei der die Einkoppeloptik (7) ausgebildet ist, zwei aus der Strahlweiche (6) austretende Teillaserstrahlen (3.1 , 3.2) mit unterschiedlichen Polarisationszuständen (s, p), deren Propagationsrichtung einer Strahlrichtung (X) des in die Strahlweiche (6) eintretenden Laserstrahls (3) entspricht, in den inneren Kem (14a) der Mehrfachclad-Faser (5) einzukoppeln. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche ausgebildet ist, in einen jeweiligen lichtleitenden Kem (14a-d) der Mehrfachclad-Faser (5) eines oder mehrere Paare von Teillaserstrahlen (3.1 , 3.2; ... ) mit jeweils zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen (s, p) einzukoppeln. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strahlweiche (6) eine erste Anzahl von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen (9a) und eine zweite Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen (9b; 9b, 9c; 9b-d) aufweist, die entgegengesetzt zur ersten Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen (9a) orientiert sind, wobei die Summe der Keilwinkel (a; 2 a; 3 a) der ersten Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen (9a) der Summe der Keilwinkel (a; 2 a; 3 a) der zweiten Anzahl von doppelbrechenden optischen Keilen (9b; 9b, 9c; 9b-d) entspricht. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strahlweiche (6) genau zwei doppelbrechende optische Keile (9a, 9b) aufweist, die entgegengesetzt orientiert sind und denselben Keilwinkel (a) aufweisen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Strahlweiche (6) eine Anzahl N von doppelbrechenden optischen Keilen (9b, 9c; 9b-d) mit gleicher Orientierung aufweist, die bevorzugt im Strahlweg des Laserstrahls (3) aufeinanderfolgend angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Strahlweiche (6) im Strahlweg des Laserstrahls (3) vor der Anzahl N von optischen Keilen (9b, 9c; 9b-d) mit gleicher Orientierung einen entgegengesetzt orientierten doppelbrechenden optischen Keil (9a) aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Anzahl N von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen (9b, 9c; 9b-d) einen identischen Keilwinkel (a) aufweist und bei welcher der entgegengesetzt orientierte doppelbrechende optische Keil (9a) einen Keilwinkel (N a) aufweist, der dem N-Fachen des identischen Keilwinkels (a) entspricht. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welcher die Strahlweiche (6) eine Anzahl N = 2 von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen (9b, 9c) aufweist und die Einkoppeloptik (7) zur Einkopplung von mindestens drei der Teillaserstrahlen (3.1 , 3.2, ...) in verschiedene lichtleitende Kerne (14a-c) einer Dreifachclad-Faser (5) ausgebildet ist oder bei welcher die Strahlweiche (6) eine Anzahl N = 3 von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen (9b-d) aufweist und die Einkoppeloptik (7) zur Einkopplung von mindestens vier der Teillaserstrahlen (3.1 , 3.2, ...) in verschiedene lichtleitende Kerne (14a-c) einer Vierfachclad-Faser (5) ausgebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Strahlweiche (6) eine Anzahl N = 2 von gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen (9b, 9c) aufweist, wobei ein im Strahlweg erster doppelbrechender optischer Keil (9b) einen Keilwinkel (2 a) aufweist, der doppelt so groß ist wie ein Keilwinkel (a) des im Strahlweg zweiten doppelbrechenden optischen Keils (9c). Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Strahlweiche (6) im Strahlweg des Laserstrahls (3) vor den zwei gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keilen (9b, 9c) einen entgegengesetzt orientierten doppelbrechenden optischen Keil (9a) aufweist, dessen Keilwinkel (3 a) dem 3-Fachen des Keilwinkels (a) des im Strahlweg zweiten der gleich orientierten doppelbrechenden optischen Keile (9b) entspricht. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , bei welcher die Einkoppeloptik (7) zur Einkopplung mindestens eines Teillaserstrahls (3.1 , 3.2, ... ), bevorzugt jeweils mindestens eines Paars von Teillaserstrahlen (3.1 , 3.2; ... ) mit zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen (s, p), in jeweils einen lichtleitenden Kem (14a-d) einer rotationssymmetrischen Vierfachclad-Faser (5) ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Steuerungseinrichtung (13) zur Einstellung der polarisationsbeeinflussenden Wirkung der mindestens einen polarisationsbeeinflussenden Einrichtung (12;
12a, b; 12a-c), um ein Teilungsverhältnis des Laserstrahls (3) bei der Einkopplung in die mindestens zwei unterschiedlichen lichtleitenden Kerne (14a, 14b, ... ) der Mehrfachclad-Faser (5) einzustellen. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Steuerungseinrichtung (13) zur Einstellung einer polarisationsbeeinflussenden Wirkung der mindestens einen polarisationsbeeinflussenden Einrichtung (12; 12a,b; 12a-c) ausgebildet ist, bei der in mindestens einen der lichtleitenden Kerne (14a, 14b, ...) der Mehrfachclad- Faser (5) keine Leistung des Laserstrahls (3) eingekoppelt wird und/oder bei der in mindestens einen der lichtleitenden Kerne (14a, 14b, ... ) der Mehrfachclad- Faser (5) die gesamte Leistung des Laserstrahls (3) eingekoppelt wird. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der in die Strahlweiche (6) eintretende Laserstrahl (3) linear polarisiert ist und die Strahlweiche (6) im Strahlweg vor dem ersten doppelbrechenden optischen Keil (9a) ein X/4-Verzögerungselement (15) aufweist. Optisches System (1 ), umfassend: eine Mehrfachclad-Faser (5), bevorzugt eine Doppelclad-Faser, eine Dreifachclad-Faser oder eine Vierfachclad-Faser, sowie eine Vorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Einkopplung des Laserstrahls (3) in die Mehrfachclad-Faser (5).
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