WO1999042878A1 - Überlastschutz zur vermeidung einer beschädigung optischer komponenten - Google Patents

Überlastschutz zur vermeidung einer beschädigung optischer komponenten Download PDF

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Johann Engelhardt
Heinrich Ulrich
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4296—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with sources of high radiant energy, e.g. high power lasers, high temperature light sources
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Definitions

  • the invention relates to an overload protection to avoid damage to optical components due to excessive light output of a light source, in particular to protect a glass fiber system used to transmit laser light.
  • the optical components or systems to be protected here are, for example, glass fiber systems for transmitting laser light to a measuring system.
  • glass fiber systems are used, among other things. used in confocal microscopy.
  • Lasers are often used here, which have large differences in intensity in individual lines, so that the total laser power must be set extremely high in order to also stimulate individual weak lines. Accordingly, the total output power of such lasers can be so high that the destruction threshold of a glass fiber system is exceeded.
  • lasers with several world lengths have a high light output at the laser output, which is in the range between 2 and 3 watts. If the destructibility of a glass fiber system is exceeded - by the coupled laser beam - one speaks of the "death" of the fiber, because the fiber entry is literally burned.
  • the invention is therefore based on the object of designing and developing an overload protection to prevent damage to optical components due to excessive light output of a light source, in particular for protecting a glass fiber system used for the transmission of laser light, in such a way that a sufficient means with simple means and without switching off the light source Protection of the optical component exposed to the light is achieved. If the optical component is a glass fiber system, burning of the fiber entrance should be effectively avoided.
  • the overload protection according to the invention of the type in question solves the above object by the features of claim 1.
  • the overload protection to avoid damage to optical components due to excessive light output of a light source comprises a decoupling device arranged in the beam path between the light source and the optical component for decoupling a small proportion of the light, a detector for detecting the light intensity of the outcoupled light, an electronic evaluation unit for comparing the detected light intensity with a specifiable maximum or welding value and a device for reducing the light output or for switching off of the light striking the optical component in the event that the maximum value is exceeded.
  • the optical component can be protected by detecting its intensity or power directly in the beam path of the light, it being specifically proposed here to decouple a small proportion of the light from the beam path.
  • the outcoupled small proportion of the light is detected with regard to the light intensity and compared with a predetermined maximum value within an electronic evaluation unit.
  • This maximum value must of course relate to the light-optical capacity of the optical component.
  • the coupling-out device forms. the detector and the device for reducing the light output or for switching off the light striking the optical component has a control loop which then acts on the beam path directed at the optical component when the predetermined maximum value of the light intensity is exceeded.
  • the device for reducing the light output or for switching off the light striking the optical component can have different effects. For example, it is possible that the device for reducing the light output immediately dims or throttles the light source or - in extreme cases - even switches it off, it being possible to define a complete switch-off as an "emergency stop " . It is particularly advantageous However, it is possible to implement the device for reducing the light output as a filter arranged between the light source and the optical component, which can also be a filter combination, This filter combination could, for example, include filter wheels or similar constructive measures or the filter combination can be ensured that a reduction in the light intensity or light output impinging on the optical component is possible, depending on the detected light output.
  • AOTF acousto-optical filter
  • the primary light or laser beam would be weakened in its amplitude to below the maximum value and thus harmless intensity values via the electronic control of the AOTF.
  • the device for reducing the light output comprises a mechanical shutter unit, a shutter, arranged between the light source and the optical component. If the set maximum value of the light intensity is exceeded, the primary light beam would be blocked by the mechanical shutter, which ensures protection of the optical components with simple means.
  • a coupling-out device is provided for the detection of the light intensity, which coupling-out a small proportion of the light striking the optical component.
  • This decoupling device could be designed as a beam splitter. Specifically, this could be a glass beam splitter plate, i.e. a glass plate. Such a glass plate is particularly suitable as a beam splitter, since such a plate - without further coating - can already be used for partial reflection of approximately 4% to 6% of the incident light. A corresponding range - from about 4% to 6%, preferably from 5% of the light beam - should be coupled out for the detection of the light intensity.
  • the decoupling device and the device for reducing the light output could be combined to form a structural unit arranged in the beam path of the light.
  • both devices could be arranged within a single housing, with one light entry and two light exits there - on the one hand for the primary light beam and on the other hand for the outcoupled light.
  • the overload protection comprises an outcoupling device 4 arranged in the beam path 1 between a laser light source 2 and a glass fiber 3 for outcoupling a small portion of the primary laser light 5. Furthermore, in the beam path 6 of the outcoupled laser light there is a detector 7 for detecting the light intensity or light output of the decoupled light provided. An electronic evaluation unit 8 for comparing the detected light intensity with a predeterminable maximum value is connected downstream of the detector 7. Finally, a device 9, 11 for reducing the light output or even for switching off 9, 12 of the laser light 5 striking the glass fiber 3 is provided, namely in the event that the predeterminable maximum value is exceeded.
  • the figure indicates that the decoupling device 4, the detector 7, the evaluation unit 8 and finally the device 9 for reducing the light output form a control loop.
  • the overload protection described above ensures that the to a system 10 - e.g. a microscope-guiding glass fiber 3 is effectively protected against excessive light output of the coupling laser light 5.
  • the device 9 for reducing the light output consists of a combination between an acousto-optical filter (AOTF) 11 and a mechanical shutter 12 designed as a shutter between the laser light source 2 and the glass fiber 3 arranged unit - AOTF 11, mechanical closure part 12 - allows laser lines to be selected individually or together, namely through the acousto-optical filter 11 provided there and the closure part 12, the two components - AOTF 11 and mechanical closure part 12 - complete.
  • AOTF acousto-optical filter
  • mechanical shutter 12 designed as a shutter between the laser light source 2 and the glass fiber 3 arranged unit - AOTF 11, mechanical closure part 12 - allows laser lines to be selected individually or together, namely through the acousto-optical filter 11 provided there and the closure part 12, the two components - AOTF 11 and mechanical closure part 12 - complete.
  • An alternative arrangement of one or the other component is also conceivable.
  • the coupling-out device 4 comprises a beam splitter, specifically a glass plate 13 or a beam splitter plate made of glass. With the aid of the coupling-out device 4, coupling-out takes place in the range between 4% and 6% of the primary laser light 5.
  • the overload protection according to the invention is ideally suited for use in confocal microscopy, namely as overload protection for the glass fiber used for the transmission of laser light.
  • the measures according to the invention make it possible to use stronger and thus more versatile Muitiline lasers without risk, the life of the glass fiber being increased by limiting the power of the laser light without affecting the laser light source through switching measures.

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Abstract

Ein Überlastschutz weist zur Vermeidung einer Beschädigung optischer Komponenten (3) durch zu hohe Lichtleistung einer Lichtquelle (2), insbesondere zum Schutz eines zur Übertragung von Laserlicht (5) dienenden Glasfasersystems, eine im Strahlengang (6) zwischen der Lichtquelle (2) und der optischen Komponente (3) angeordnete Auskoppeleinrichtung (4) zum Auskoppeln eines geringen Anteils des Lichts, einen Detektor (7) zur Detektion der Lichtintensität des ausgekoppelten Lichts, eine elektronische Auswerteeinheit (8) zum Vergleich der detektierten Lichtintensität mit einem vorgebbaren Höchstwert und eine Einrichtung (9) zur Reduzierung der Lichtleistung oder zur Abschaltung des auf die optische Komponente (3) treffenden Lichts für den Fall, daß der Höchstwert überschritten wird, auf.

Description

Überlastschutz zur Vermeidung einer Beschädigung optischer Komponenten
Die Erfindung betrifft einen Überiastschutz zur Vermeidung einer Beschädigung optischer Komponenten durch zu hohe Lichtleistung einer Lichtquelle, insbesondere zum Schutz eines zur Übertragung von Laserlicht dienenden Glasfasersystems.
Bei den hier zu schützenden optischen Komponenten oder Systemen, die vor Zerstörung durch zu hohe Lichtleistung geschützt werden sollen, handelt es sich bspw. um Glasfasersysteme zur Übertragung von Laseriicht zu einem Meßsystem. Solche Glasfasersysteme werden u.a. in der Konfokalmikroskopie eingesetzt. Dabei werden oftmals Laser verwendet, die große Intensitätsuπterschiede in einzelnen Linien haben, so daß man die gesamte Laserleistung äußerst hoch einsteilen muß, um nämlich einzelne schwache Linien auch noch anzuregen. Entsprechend kann bei solchen Lasern die gesamte Ausgangsleistung derart hoch sein, daß die Zerstörschwel-e eines Glasfasersystems überschritten wird. Laser mit mehreren Weltenlängen haben jedenfalls eine hohe Lichtleistung am Laserausgang, die im Bereich zwischen 2 und 3 Watt liegt. Wird die Zerstörschwelie eines Glasfasersystems - durch den eingekoppelten Laserstrahl - überschritten, spricht man vom „Tod" der Faser, da nämlich der Fasereintritt regelrecht verbrannt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Überlastschutz zur Vermeidung einer Beschädigung optischer Komponenten durch zu hohe Lichtleistung einer Lichtquelle, insbesondere zum Schütze eines zur Übertragung von Laserlicht dienenden Glasfasersystems, derart auszugestalten und weiterzubilden, daß mit einfachen Mitteln und ohne Abschaltung der Lichtquelle ein hinreichender Schutz der mit dem Licht beaufschlagten optischen Komponente erreicht wird. Sofern es sich bei der optischen Komponente um ein Giasfasersystem handelt, soll ein Verbrennen des Fasereiπtritts wirksam vermieden werden.
Der erfindungsgemäße Überiastschutz der hier in Rede stehenden Art löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Danach umfaßt der Überlastschutz zur Vermeidung einer Beschädigung optischer Komponenten durch zu hohe Lichtleistung einer Lichtquelle eine im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der optischen Komponente angeordnete Auskoppeleinrichtung zum Auskoppeln eines geringen Anteils des Lichts, einen Detektor zur Detektion der Lichtintensität des ausgekoppelten Lichts, eine elektronische Auswerteeinheit zum Vergleich der detektierten Lichtintensität mit einem vorgebbaren Höchst- bzw. Schweii- wert und eine Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung oder zur Abschaltung des auf die optische Komponente treffenden Lichts für den Fall, daß όer Höchstwert überschritten wird.
Erfindungsgemäß ist demnach erkannt worden, daß man die optische Komponente dadurch schützen kann, daß man unmittelbar im Strahlengang des Lichts dessen Intensität bzw. Leistung delektiert, wobei hier im Konkreten vorgeschlagen wird, einen geringen Anteil des Lichts aus dem Strahlengang auszukoppeln. Der ausgekoppelte geringe Anteil des Lichts wird hinsichtlich der Lichtintensität delektiert und innerhalb einer elektronischen Auswerteeinheit mit einem vorgegebenen Höchstwert verglichen. Dieser Höchstwert muß sich selbstverständlich auf die lichtoptische Belastbarkeit der optischen Komponente beziehen. Im Falle eines in eine Lichtleitfaser einzukoppelnden Laserstrahls muß der Höchstwert der Lichtintensität bzw. Lichtleistung unter einem solchen Wert liegen, bei dem die Lichtleitfaser beschädigt wird. Schließlich bildet die Auskoppeleiπrichtung. der Detektor und die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung oder zur Abschaltung des auf die optische Komponente treffenden Lichts einen Regelkreis, der dann auf den auf die optische Komponente gerichteten Strahlengang einwirkt, wenn der vorgegebene Höchstwert der Lichtinten- sität überschritten wird.
Die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung oder zur Abschaltung des auf die optische Komponente treffenden Lichts kann unterschiedlich wirken. So ist es bspw. möglich, daß die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtieistung unmittelbar die Lichtquelle dimmt bzw. drosselt oder - im Extremfall - sogar abschaltet, wobei man ein völliges Abschalten als „Not-Aus" definieren kann. In ganz besonders vorteilhafter Weise ist es jedoch möglich, die Einrichtung zur Reduzierung ύer Lichtieistung als ein zwischen der Lichtquelle und der optischen Komponente angeordnetes Filter auszuführen, wobei es sich dabei auch um eine Filterkombiπation handeln kann. Diese Filterkombination könnte bspw. Filterräder oder ähnliche konstruktive Maßnahmen umfassen. Jedenfalls solite durch das Filter bzw. die Fiiterkombination gewährleistet sein, daß eine Reduzierung der auf die optische Komponente auftreffenden Lichtintensität bzw. Lichtleistung möglich ist, und zwar in Abhängigkeit der detektierten Lichtieistung.
Im Rahmen einer alternativen Ausgestaltung könnte die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung als zwischen der Lichtquelle und der optischen Komponente - im dortigen Strahlengang - angeordnetes akusto-optisches Filter (AOTF = acousto opti- cal tunable filter) ausgeführt sein. Dabei würde der primäre Licht- bzw. Laserstrahl über die elektronische Ansteuerung des AOTF in seiner Amplitude auf unterhalb des Höchstwertes liegende und somit ungefährliche Intensitätswerte abgeschwächt werden.
Ebenso ist es denkbar, daß die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung eine zwischen der Lichtquelle und der optischen Komponente angeordnete mechanische Verschlußeinheit, einen Shutter, umfaßt. Wird der eingestellte Höchstwert der Lichtintensität überschritten, würde der primäre Lichtstrahl durch den mechanischen Verschluß blockiert werden, wodurch ein Schutz der optischen Komponenten mit einfachen Mitteln gewährleistet ist.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist zur Detektion der Lichtintensität eine Auskoppeleinrichtung vorgesehen, die einen geringen Anteil des auf die optische Komponente treffenden Lichts auskoppelt. Diese Auskoppeleinrichtung könnte als Strahlteiler ausgeführt sein. Im Konkreten könnte es sich dabei um ein Strahlteilerplättchen aus Glas, d.h. um ein Glasplättchen, handeln. Ein solches Glasplättchen eignet sich ganz besonders als Strahlteiler, da ein solches Plättchen - ohne weitere Beschichtung - bereits zur Teilreflektion von etwa 4% bis 6% des auftreffenden Lichts verwendbar ist. Ein entsprechender Bereich - von etwa 4% bis 6%, vorzugsweise von 5% des Lichtstrahls - sollte zur Detektion der Lichtintensität ausgekoppelt werden.
In ganz besonders vorteilhafter Weise und insbesondere im Hinblick auf eine kompakte Bauweise könnte die Auskoppeleinrichtung und die Einrichtung zur Reduzierung der Lichtleistung zu einer im Strahlengang des Lichts angeordneten baulichen Einheit zusammengefaßt sein. So ließen sich beide Einrichtungen innerhalb eines einzigen Gehäuses anordnen, wobei dort ein Lichteintritt und zwei Lichtaustritte - einerseits für den primären Lichtstrahl und andererseits für das ausgekoppelte Licht - vorgesehen sind.
Des weiteren ist von ganz besonderer Bedeutung, wenn der Detektor zur Detektion der Lichtintensität bzw. Lichtleistung des ausgekoppelten Lichts unter Berücksichtigung des Teilungsverhältnisses - primärer Lichtstrahl/ausgekoppeltes Licht - geeicht ist, um nämlich Rückschlüsse auf die tatsächliche Lichtintensität des primären Lichtstrahls treffen zu können. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der voriiegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Eriäuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen, in Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
die einzige Figur in einer schematischen Darstellung die prinzipielle Anordnung eines erfindungsgemäßen Überlastschutzes zur Vermeidung einer Beschädigung optischer Komponenten, wobei es sich bei der optischen Komponente um eine Lichtleitfaser bzw. Glasfaser und bei der Lichtquelle um eine Laserlichtquelle handelt.
Gemäß der Figur umfaßt der Überlastschutz eine im Strahlengang 1 zwischen einer Laseriichtquelle 2 und einer Glasfaser 3 angeordnete Auskoppeleinrichtuπg 4 zum Auskoppein eines geringen Anteils des primären Laserlichts 5. Des weiteren ist im Strahleπgang 6 des ausgekoppelten Laserlichts ein Detektor 7 zur Detektion der Lichtintensität bzw. Lichtleistung des ausgekoppelten Lichts vorgesehen. Dem Detektor 7 ist eine elektronische Auswerteeinheit 8 zum Vergleich der detektierten Lichtintensität mit einem vorgebbaren Höchstwert nachgeschaltet. Schließlich ist eine Einrichtung 9, 11 zur Reduzierung der Lichtleistung oder gar zum Abschalten 9, 12 des auf die Glasfaser 3 treffenden Laseriichts 5 vorgesehen, nämlich für den Fall, daß der vorgebbare Höchstwert überschritten wird.
In der Figur ist angedeutet, daß die Auskoppeleinrichtung 4, der Detektor 7, die Auswerteeinheit 8 und schließlich die Einrichtung 9 zur Reduzierung der Lichtieistung einen Regelkreis bilden. Jedenfalls ist durch den voranstehend beschriebenen Überlastschutz gewährleistet, daß die zu einem System 10 - z.B. einem Mikroskop - führende Glasfaser 3 vor zu hoher Lichtieistung des einkoppelnden Laserlichts 5 wirksam geschützt ist.
Die Einrichtung 9 zur Reduzierung der Lichtleistung besteht bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel aus einer Kombination zwischen akusto-optischem Filter (AOTF) 11 und einem als Shutter ausgeführten mechanischen Verschlußteü 12. Die zwischen der Laserlichtquelle 2 und der Glasfaser 3 angeordnete Einheit - AOTF 11 , mechanisches Verschlußteil 12 - erlaubt es, Laserlinien einzeln oder zusammen auszuwählen, nämlich durch das dort vorgesehene akusto-optische Fiiter 11 und das Verschlußteil 12, wobei sich die beiden Bauteile - AOTF 11 und mechanisches Verschlußteil 12 - ergänzen. Eine alternative Vorkehrung des einen oder anderen Bauteils ist ebenso denkbar.
Die Figur läßt des weiteren erkennen, daß die Auskoppeleinrichtung 4 einen Strahlteiler umfaßt, wobei es sich hier im Konkreten um ein Glasplättchen 13 bzw. um ein Strahlteilerplättchen aus Glas handelt. Mit Hilfe der Auskoppeleinrichtuπg 4 findet eine Auskopplung im Bereich zwischen 4% und 6% des primären Laserlichts 5 statt.
Schließlich sei angemerkt, daß sich der erfinduπgsgemäße Überlastschutz in idealer Weise zum Einsatz in der Konfokalmikroskopie eignet, nämlich als Uberiastschutz für die zur Übertragung von Laserlicht dienende Glasfaser. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist die gefahrlose Benutzung stärkerer und damit vielseitig verwendbarer Muitiline-Laser möglich, wobei durch die Leistungsbegrenzung des Laserlichts die Lebensdauer der Glasfaser erhöht wird, ohne dabei die Laseriichtquelie durch Schaltmaßnahmen zu beiasten.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Überlastschutz zur Vermeidung einer Beschädigung optischer Komponenten (3) durch zu hohe Lichtieistung einer Lichtquelle (2), insbesondere zum Schutz eines zur Übertragung von Laserlicht (5) dienenden Glasfasersystems, mit einer im Strahlengang (1) zwischen der Lichtquelle (2) und der optischen Komponente (3) angeordneten Auskoppeleinrichtung (4) zum Auskoppeln eines geringen Anteils des Lichts, einem Detektor (7) zur Detektion der Lichtintensität des ausgekoppelten Lichts, einer elektronischen Auswerteeinheit (8) zum Vergleich der detektierten Lic'ntintensität mit einem vorgebbaren Höchstwert und einer Einrichtung (9) zur Reduzierung der Lichtleistung oder zur Abschaltung des auf die optische Komponente (3) treffenden Lichts für den Fall, daß der Höchstwert überschritten wird.
2. Uberiastschutz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (9) zur Reduzierung der Lichtleistung unmittelbar die Lichtquelle (2) dimmt bzw. drosselt oder abschaltet.
3. Überlastschutz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (9) zur Reduzierung der Lichtleistung als ein zwischen der Lichtquelle (2) und der optischen Komponente (3) angeordnetes Filter ausgeführt ist.
4. Uberiastschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (9) zur Reduzierung der Lichtleistung als eine zwischen der Lichtquelle (2) und der optischen Komponente (3) angeordnete Filterkombination ausgeführt ist.
5. Überlastschutz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkombination Filterräder umfaßt.
6. Überlastschutz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (9) zur Reduzierung der Lichtieistung als zwischen der Lichtquelle (2) und der optischen Komponente (3} angeordnetes akus o-optisches Filter (AOTF) ( 1 ) ausgeführt ist.
7. Überlastschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (9) zur Reduzierung der Lichtleistung eine zwischen der Lichtquelle (2) und der optischen Komponente (3) angeordnete mechanische Verschlußeinheit (Shutter) (12) umfaßt.
8. Uberiastschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppeleinrichtung (4) einen Strahlteiler umfaßt.
9. Überlastschutz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler ein Glasplättchen (13) ist.
10. Überlastschutz nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppeleinrichtung (4) zur Auskopplung von etwa 4% bis 6%, vorzugsweise von 5%, des Lichtstrahls dient.
11. Überlastschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppeleinrichtung (4) und die Einrichtung (9) zur Reduzierung der Lichtleistung zu einer im Strahlengang (6) des Lichts angeordneten Einheit zusammengefaßt sind.
12. Überlastschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (7) zur Detektion der Lichtintensität des ausgekoppelten Lichts unter Berücksichtigung des Teilungsverhältnisses geeicht ist.
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