NO320941B1 - Optisk transformator - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår anvendelsen av en optisk enhet for økning av effektiviteten for kopling av lys fra et teleskop inn på en optisk bølgeleder eller fiber, særlig en singelmodus optisk fiber som stiller størst krav til koblingen.

Teleskop benyttes for å samle lys som forplanter seg i fritt rom. I ulike applikasjoner er det nødvendig å overføre lys fra teleskopet til en singelmodus fiber. Dette gjøres for å benytte optiske komponenter med denne typen interface til behandling av det mottatte lyset eller for å utnytte fiberens transmisjonsegenskaper.

Innkopling i fiberen foregår ved at lyset fra teleskopet fokuseres inn på fiberkjernen med en linse. F-nummeret til linsen er i praksis den eneste parameteren man har å spille på for å optimalisere koplingseffektiviteten mellom teleskop og fiber.

I fokalpunktet til linsen, hvor fiberen er plassert, har feltfordelingen en form som er lik den Fouriertransformerte av lysstrålen ut fra teleskopet. Ut fra et ideelt teleskop har lysstrålen et sirkulært tverrsnitt med uniform intensitetfordelingen. Ved fiberkjernen vil intensitets-fordelingen kunne beskrives av en Airy-funksjon. Dette er en fordeling som avviker fra den tilnærmede Gauss-fordelingen til fibermoden. Koplingseffektiviteten mot en singelmodus fiber vil i et slikt tilfelle ikke bli bedre enn 81 % (0.92 dB koplingstap).

For de fleste applikasjoner er det ønskelig at teleskopets åpningsdiameter er så stor som mulig, slik at evnen til å fange inn lys blir best mulig. Speiloptikk benyttes vanligvis i store teleskop. Dette er kostnadseffektivt i forhold til linseoptikk, samtidig som teleskopet gjøres kompakt ved å folde strålegangen i en såkalt Cassegrain konfigurasjon. Eksempel på strålegangen i et slikt teleskop er vist i vedlagte figur 1.

Det er viktig å legge merke til at sekundærspeilet representerer en obstruksjon for det innkommende lyset. Strålen ut fra teleskopet er ikke lenger uniform over tverrsnittet, men har nå en sirkulær skygge i sentrum. Dette gir en ytterligere mistilpassning mellom det fokuserte lyset og fibermoden. Koplingstapet vil øke. Ligning (1) nedenfor gir et tilnærmet uttrykk for koplingstapet mellom et teleskop med sentral obstruksjon og en singelmodus fiber, jfr. C.Ruilier, etal., " A study of degraded light coupling into single- modefibers", In Astronomical Interferometry, SPIE vol.3350, pp. 319 - 329, 1998. Det er her antatt at fibermoden kan tilnærmes med en Gaussisk fordeling.

Her er: D = Diameter på strålen ut av teleskopet

a = Relativ obstruksjonsdiameter f = linsens fokallengde

©o = radius til fibermoden

X = lysets bølgelengde

Total lysintensitet ut fra teleskopet er normalisert, slik at det kun er effekttap som følge av fiberkoplingseffektiviteten som analyseres. Figur 2 viser beregnet koplingseffektivitet ved 3 forskjellige a-verdier og med (3 som parameter. 81% koplingseffektivitet kan oppnås ved a=0 dvs. ingen obstruksjon. Koplingseffektiviteten faller raskt med økende obstruksjonsdiameter.

Det eksisterer teleskopkonstruksjoner, basert på speiloptikk, som ikke har sekundærspeilet plassert i strålegangen. Et eksempel er vist i figur 6.1 disse konstruksjonene er primærspeilet såkalt "off-axis", dvs. at fokalpunktet ligger utenfor aksen til det innkommende lyset. Sekundærspeilet vil derfor kunne plasseres slik at det ikke obstruerer den innkommende strålen. For teleskop med store åpningsdiametre gir dette imidlertid svært kostbare løsninger, hvor man ikke kan oppnå like kompakte konstruksjoner som med f.eks. et Cassegrain design. Innbyrdes opplinjering av speilene er også mer krevende. Forskjellige typer optiske elementer er kjent for å fjerne skyggen av obstruksjoner fra en stråle, for eksempel US 4637691 og JP 11 176221, men begge disse har til formål å gi en uniform intensitetsfordeling over stråletverrsnittet, noe som gjør dem uegnede for å koble lys inn i optiske fibrer. US 4255021 viser anvendelse av tilsvarende elementer for forming av lysstråler generelt, men ikke innen den aktuelle anvendelsen.

Den foreliggende oppfinnelsen har med andre ord som formål å øke koplingseffektiviteten mellom teleskop og optisk bølgeleder.

For å løse disse problemene er det derfor tilveiebragt en optisk enhet, slik som beskrevet ovenfor, og som omfatter minst ett rotasjons-symmetrisk optisk element plassert med rotasjonsaksen i den optiske aksen og omfattende to kjegleformede flater, hver med en konstant vinkel i forhold til den optiske aksen. Mer presist er oppfinnelsen kjennetegnet slik som angitt i det selvstendige patentkrav 1.

Ifølge en særlig foretrukket utførelse av oppfinnelsen omfatter den optiske enheten ifølge oppfinnelsen to slike optiske elementer, hvorav den første, i lysbanen, har en samlende virkning, mens den andre har en i det vesentlige tilsvarende spredende virkning. De optiske elementene er to refraktive glasselementer med en semi-konveks form, og for å oppnå en tilnærmet kollimert utgangsstråle er de i det vesentlige symmetriske i forhold til rotasjonsplanet, begge med samme vinkler mot den optiske aksen men med motsatt plassering i forhold til aksens retning.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer i detalj nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. Figur 1 illustrerer generelt strålegang i et Cassegrain type teleskop, der lyset kommer inn fra venstre og er her representert ved stråler i et plan gjennom den optiske aksen. Figur 2 illustrerer koplingseffektivitet mellom teleskop med sentral obstruksjon og

en singelmodus fiber.

Figur 3 illustrerer den optiske enhetens prinsipielle virkemåte.

Figur 4 illustrerer en utførelse av oppfinnelsen der de to prismene er vist

gjennomskåret.

Figur 5 illustrerer beregnet koplingseffektivitet mellom teleskop og fiber som funksjon av obstruksjonsradiusen med og uten den optiske enheten ifølge oppfinnelsen. Figur 6 illustrerer strålegangen i et speilteleskop med ofF-axis speil, der lyset kommer inn fra venstre og er her representert ved stråler i et plan gjennom den optiske aksen.

Figur 7 illustrerer en alternativ virkemåte for den optiske enheten.

Figur 8 illustrerer en foretrukket utførelse av oppfinnelsen der de to prismene er

vist gjennomskåret basert på virkemåten illustrert i figur 7.

Figur 9 illustrerer oppfinnelsen brukt på henholdsvis en lysstråle med uniformt tverrsnitt og på en lysstråle med sentral obstruksjon. Figur 10 illustrerer beregnet koplingseffektivitet mellom teleskop og singelmodus fiber som funksjon av obstruksjonsgraden med og uten den optiske enheten ifølge oppfinnelsen.

Figur 11 illustrerer oppfinnelsen realisert vha. speil.

Som illustrert i figur 1 danner sekundærspeilet 2 en skygge i lysstrålen som når primærspeilet 1, og som gir en diskontinuitet i intensitetsfordelingen over stråletverrsnittet. Utgangsstrålen fra teleskopet fokuseres deretter mot en inngangen på en optisk bølgeleder (ikke vist) ved hjelp av en linse 3. Ifølge oppfinnelsen kan koblingseffekten økes ved å sette inn et optisk system som parallellforskyver strålen radielt i forhold til den optiske aksen. En prinsipiell beskrivelse gis i figur 3.1 sin enkleste utforming består oppfinnelsen av ett sylinderformet prisme hvor fronten er kjegleformet med vinkel cp mot den optiske akse. Utgangsflaten er parallell med frontflaten. Dette elementet 4 plasseres dermed i strålegangen mellom sekundærspeilet 2 og linsen 3 for å fjerne eller redusere skyggen midt i strålen ved å forskyve lysstrålene 6 radielt innover mot den optiske aksen samtidig som utgangsstrålene er parallelle med den optiske aksen.

Ved hjelp av Snells brytningslov og geometriske betraktninger kan det utledes et uttrykk for den radielle forskyvningen av strålen. Når den innkommende strålen er parallell med den optiske akse:

hvor: ng = Prismets brytningsindeks

ns = Omgivelsenes brytningsindeks

d = Prismets lengde

Forskyvningen er konstant, uavhengig av r;, noe som medfører at distansen som strålen går gjennom prismet også er uavhengig av r;. Dette betyr at hvis den innkommende strålen 6 har en plan fasefront, vil den også ha en plan fasefront ut av prismet. Realisert på denne måten vil man behøve et relativt langt prisme for å oppnå praktiske sttåleforskyvninger. Figur 4 viser prinsippet for et design hvor man oppnår en kortere og lettere komponent ved bruk av to elementer 4a,4b, der det første 4a avbøyer lyset innover mot aksen og det andre 4b avbøyer det tilbake til en retning parallelt med den optiske aksen. Fortsatt har fortrinnsvis alle kjegleflater samme vinkel mot den optiske aksen og begge elementene har samme brytningsindeks. I dette designet far man med andre ord to flater som bryter strålen innover mot aksen og to flater som bryter strålen ut fra den optiske aksen. Området hvor størstedelen av translasjonen foregår er luftfylt. Ved å variere avstanden mellom de to prismene varieres også størrelsen på den gjenværende skyggen. Figur 5 viser beregnet koplingseffektivitet som funksjon av den relative obstruksjonsradiusen. Det kan ses en betydelig gevinst ved bruk av stråleformeren. Heltrukken linje angir koblingstap ved bruk stråleformer, mens den stiplede linjen representerer koplingstapet uten bruk av denne komponenten. For et tilfelle hvor det ikke er noen obstruksjon i teleskopet har ikke denne versjonen av stråleformeren noen funskjon. Den har generelt liten effekt ved små obstruksjoner. Ved store obstruksjoner er effekten meget god, samtidig som systemet blir forholdsvist kompakt.

En prinsipiell illustrasjon av et alternativ til løsningen illustrert i figur 3 er vist i figur 7.1 denne utformingen består oppfinnelsen av ett sylinderformet prisme hvor fronten er kjegleformet med vinkel cp mot den optiske akse. Prismets utgangsflate har samme form som inngangsflaten. Dette elementet 5 plasseres dermed i strålegangen mellom sekundærspeilet 2 og linsen 3 for å endre intensitetsfordelingen i strålen ved å forskyve lysstrålene 6 radielt i forhold til den optiske aksen samtidig som utgangsstrålene er parallelle med den optiske aksen. Linsen 3 tilpasses den nye strålediameteren.

Basert på denne løsningen det finnes et uttrykk for lengden til prismet. Når den innkommende strålen er parallell med den optiske akse:

hvor: D = Strålediameter

ng = Prismets brytningsindeks

ns = Omgivelsenes brytningsindeks

L = Prismets lengde

Ved korrekt prismelengde vil en stråle som entrer prismet i avstand D/2 (=Tj) fra den optiske aksen krysse den optiske aksen rett før den treffer endeflaten på prismet. Strålen vil da ha krysset to luft/glass-flater med samme vinkel mot den optiske aksen. Dette medfører at strålens vinkel mot den optiske aksen vil være den samme før og etter prismet. Dette betyr også at hvis den innkommende strålen 6 har en plan fasefront, vil den også ha en plan fasefront ut av prismet. Som i forhold til løsningen vist i figur 3 vil man behøve et relativt langt prisme for å oppnå praktiske stråleforskyvninger. Figur 8 viser prinsippet for et design hvor man oppnår en kortere og lettere komponent ved bruk av to elementer 5a,5b, der det første 5a avbøyer lyset innover mot aksen og det andre 5b avbøyer det tilbake til en retning parallelt med den optiske aksen. I motsetning i løsningen ifølge figur 4 krysser lyset den optiske aksen før de rettes langs den optiske aksen igjen. Fortsatt har fortrinnsvis alle kjegleflater samme vinkel mot den optiske aksen og begge elementene har samme brytningsindeks. Derved oppnås den fordelen av begge elementene er identiske, noe som medfører kostnadsbesparelser. I dette designet får man med andre ord fire flater som alle bryter strålen innover mot aksen. Området hvor størstedelen av translasjonen foregår er luftfylt. Ved å variere avstanden mellom de to prismene varieres også størrelsen på den gjenværende skyggen. Fordelen med dette designet er at det gir økt koplingseffektivitet for alle a-verdier, også for ct=0, på bekostning av et lengre system. Figur 9 illustrerer virkemåten for oppfinnelsen og dessuten hvordan denne utførelsen vil gi en obstruksjonsløs strålebunt ved tilpasning til den innkomne strålens ytre diameter. Utførelsen vi i figurene 3 og 4 vil derimot kreve tilpasning til forhold til obstruksjonens diameter i den innkommende strålebunten.

Det er mulig å utlede ut uttrykk for intensitetsfordelingen I over strålens tverrsnitt på utgangen av stråleformeren ifølge oppfinnelsen:

hvor: r = avstand fra den optiske aksen

Do = obstruksjonens diameter

D = strålediameter før prismene

Det er viktig å merke seg at i tillegg til å fjerne skyggen av obstruksjonen fås en intensitetsprofil hvor intensiteten øker inn mot den optiske aksen, også uten ar det er en obstruksjon tilstede. Dette er positivt mht. kopling mot en singelmodus fiber.

Dette kan beskrives ved å anta at den innkommende strålebunten har en uniform intensitetsfordeling over tverrsnittet. Med den foretrukne utførelsen av

oppfinnelsen, slik den er illustrert i figur 7,8 og 9, vil en ring ved en gitt radius langt fra aksen flyttes nærmere denne. Lysmengden i denne ringen holdes konstant, mens arealet blir mindre. Dermed øker lysintensiteten i denne ringen. Motsatt vil en ring som flyttes lenger fra aksen spre lysmengden over et større areal. Forutsatt en homogen intensitetsfordeling over den innkommende strålen vil derfor det foretrukne utførelsen av oppfinnelsen kunne øke lysintensiteten i midten av den utgående strålebunten, og dermed bedre koblingseffektiviteten til en lysleder.

Koplingseffektiviteten for et system bestående av teleskop, stråleformer og singelmodus fiber kan nå beregnes. Overlappintegralet beregnet rett før den fokuserende linsen som beskrevet i R.E.Wagner, etal., " Coupling ejficiency of optics in single- mode fiber components", Applied Optics, Vol.21, pp.2671 - 2688, 1982.

Koplingseffektiviteten er lik kvadratet av overlappintegralet.

. Figur 10 viser beregnet koplingseffektivitet som funksjon av relativ obstruksjon a. For en stråle som er fri for obstruksjon, er koplingseffektiviteten til en singelmodus fiber -0.92 dB. Ved bruk av den optiske transformatoren, beregnes koplingseffektiviteten til-0.35 dB. For en stråle med 40% obstruksjon er koplingseffektiviteten ca. -2.5 dB. Ved bruk av den optiske transformatoren bergenes koplingseffektiviteten til -0.43 dB. Dvs. en forbedring på mer enn 2 dB.

I tillegg til løsningen som er omtalt her er det opplagt at en ekvivalent løsning kan oppnås ved bruk av reflekterende elementer i stedet for refraktive, slik at to kjegle-formede speil settes i strålegangen. Lyset vil da reflekteres tilbake mot den optiske aksen av et første, ringformet speil og deretter fremover igjen mot den optiske fiberen av det neste speilet som er formet som toppen av en kjegle. Et eksempel tilsvarende løsningen illustrert i figur 8 er vist i figur 11, der en strålebunt først møter en speilflate på et konisk formet element 12. Deretter reflekteres lyset mot en ringformet, konisk speilflate 11, derfra til en ny ringformet, konisk speilflate 13 som reflekterer lyset tilbake til innsiden av det første koniske elementet 12, som retter lyset parallelt med den optiske aksen mot linsen 14. Med en velkjent obstruksjons-størrelse kan en tilpasning av innsiden på konusen 12 og den andre ringen 13 være tilstrekkelig.

En løsning basert på speil er nødvendig i tilfeller hvor dispersjonseffekten i prismene ikke kan aksepteres eller nå lysets bølgelengde ligger i et område hvor det ikke finnes praktiske materialer å fabrikkere prismene av. Eksempel på slike applikasjon er interferometri i det infrarøde området (2-16 um) og ulike romrelaterte anvendelser hvor for eksempel stråling fra verdensrommet ville endret egenskapene til prismene.

I tilfelle med multiple stråler, uniformt plassert langs en ring, kan stråleformeren benyttes til å forskyve strålene inn mot deres felles akse før fokusering og kopling inn på en singelmodus fiber. En slik applikasjon er aktuell i interferometri hvor fiberen benyttes som et romlig filter.

Oppfinnelsen beskrevet her kan varieres innenfor rekkevidden av patentkravene. Den optiske enheten kan kombineres med andre elementer for stråle-forming og ulike antall prisme-elementer og materialer med forskjellige brytnings-indeksen, slik det vil være åpenbart for en fagmann på området på bakgrunn av forskjellige anvendelser av oppfinnelsen. Selv om singelmodus er nevnt som eksempel her vil fagmannen også innse at oppfinnelsen vil kunne brukes i forbindelse med andre typer bølgelengder også.

Claims (8)

1. Anvendelse av en optisk enhet i teleskoper for fokusering av lys inn på en optisk fiber, der den optiske enheten omfatter minst ett rotasjons-symmetrisk optisk element (5) med en valgt lengde (L) plassert med rotasjonsaksen i den optiske aksen og omfattende en første og en andre kjegleformede flater, hver med en konstant vinkel (<p) i forhold til den optiske aksen, der den første kjegleflaten er innrettet til å rette lyset i den tilnærmet kollimerte strålen (6) mot den optiske aksen, og der den andre kjegleflaten er innrettet til å rette lyset tilbake i en retning parallelt med den optiske aksen, og at avstanden mellom kjegleflatene er minst like stor som avstanden fra den første kjegleflaten til den posisjon der lys fra den første kjegleflatens ytterkant krysser den optiske aksen, slik at den optiske enheten innrettet til å bevirke at kollimert, innfallende lys fra nevnte teleskop koaksialt med den optiske enhetens akse transformeres til kollimert lys ved den optiske enhetens utgang med øket lysintensitet nær den optiske aksen, hvori den optiske enheten er plassert koaksialt med den optiske aksen til teleskopen og er plassert mellom teleskopet og en linse for fokusering av lyset inn på en optisk fiber.

2. Anvendelse ifølge krav 1, der de to kjegleflatene på den optiske enheten er symmetriske i forhold til den optiske aksens lengderetning.

3. Anvendelse ifølge krav 1, der kjegleflatene på den optiske enheten er plassert på to optiske elementer (5a,5b), begge innrettet til å bryte lys mot den optiske aksen med samme vinkel.

4. Anvendelse ifølge krav 3, der de optiske elementene (5a,5b) er refraktive glasselementer.

5. Anvendelse ifølge krav 1, der de optiske elementene utgjøres av et antall speilflater (11,12,13), hvorav den første reflekterer lyset bort fra den optiske aksen, mot minst et ytre, ringformet speil (11,13) som utgjør nevnte første kjegleformede flate og reflekterer lyset mot den andre speilflaten som nevnte andre kjegleformede flate og reflekterer lyset med en retning langs den optiske aksen.

6. Anvendelse ifølge krav 1, der teleskopet omfatter en obstruksjon og at enheten er innrettet til å eliminere skyggen av obstruksjonen fra lyset.

7. Anvendelse ifølge krav 6, der de to kjegleflatene har samme vinkel i forhold til den optiske aksen, og at lengden på enheten tilsvarer avstanden fra den første kjegleflaten til den posisjon der lys fra den første obstruksjonens ytterkant krysser den optiske aksen.

8. Anvendelse ifølge krav 7, der speilteleskopet omfatter et primær- og et sekundærspeil (1,2), der sekundærspeilet (2) er plassert sentralt i den optiske aksen og danner en obstruksjon i lysgangen, og der den optiske enhetens (5) dimensjoner er valgt for å fjerne obstruksjonen fra lysgangen ved forskyvning av lysstrålene (6) fra obstruksjonens ytterkant inn til strålebanens sentrum.