DE3875678T2

DE3875678T2 - Manipulator zur einkopplung von laserlicht in eine glasfaser.

Info

Publication number: DE3875678T2
Application number: DE8888307890T
Authority: DE
Inventors: Claus Jorgen Nielsen; Jacob Raagaard
Original assignee: DANTEC MEASUREMENT TECHNOLOGY
Current assignee: DANTEC MEASUREMENT TECHNOLOGY
Priority date: 1987-08-31
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2008-08-26
Also published as: DK455087A; EP0306220A2; US4886337A; DE3875678D1; EP0306220B1; EP0306220A3; DK455087D0; DK158169C; DK158169B; ATE82077T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Manipulator zur Einkopplung von Laserlicht in eine optische Faser, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben und umfassend
- Trägermittel für eine optische Faser,
- Mittel zum Justieren der Position der Endfläche der optischen Faser in der axialen Richtung (z-Achse) der Faser entsprechend der optischen Achse des Manipulators und im Verhältnis zu einem fokussierten Laserstrahl,
- ein optisches System zum Fokussieren eines hauptsächlich axial eintreffenden Laserstrahls auf einer Endfläche der optischen Faser,
- Mittel zum Justieren des von dem fokussierten Laserstrahl erzeugten Leuchtpunktes auf der Endfläche der Faser in zwei zueinander und zur z-Achse rechtwinkelige x- und y-Richtungen, und
- Mittel zur Winkeleinstellung der Achsenrichtung der Faser im Verhältnis zur Achsenrichtung des auf die Endfläche der Faser auftreffenden Laserstrahls.
Ein Manipulator der einleitend erwähnten Art ist in dem US Patent Nr. 4.542.956 beschrieben.
Bei Einkoppeln von Laserlicht auf die Endf läche einer optischen Faser sind mit Hinblick auf ein optimales Einkopplungsvermögen eine Reihe von Anforderungen gestellt worden, die erfüllt sein müssen:
1. Der von einer Laserquelle kommende Laserstrahl ist auf der Endfläche der Faser auf einen Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des Faserkernes, mit einer Präzision innerhalb Teilen von um, zu fokussieren.
2. Die Plazierung des Fokussierungspunktes in der Längsrichtung der Faser - in einem rektangulären Koordinatensystem als z-Achse bezeichnet - muss bei der Endfläche der Faser mit einer Präzision innerhalb von wenigen um liegen.
3. Die Plazierung des Fokussierungspunktes in einer rechtwinkelig zur z-Achse liegenden Ebene, d.h. einer x-y-Ebene, muss mit dem Zentrum des Faserkernes mit einer Präzision innerhalb von Teilen von um zusammenfallen.
4. Der Winkel zwischen der Endfläche der Faser und dem auf dieser Fläche fokussierten Laserstrahl - durch seine Winkelkomponenten θx und θy definierter Winkel - muss 90º innerhalb uRad sein.
5. Die Ortung zwischen der Polarisationsrichtung des Laserlichts und der polarisationsachse der Faser muss innerhalb weniger uRad sein.
Bei dem bekannten Manipulator scheinen einige der aufgezählten Forderungen - jedenfalls was die Punkte 1 bis 4 betrifft - bei einer Konstruktion erfüllt werden zu können, wo zum Fokussieren auf einem Halter ein in der z-Achsenrichtung grob justierbares Mikroskop-Objektiv verwendet wird, und zur z-, x- und y-Feinjustierung der Endfläche der Faser gegenüber diesem Objektiv ein separater Faserhalter verwendet wird, wobei der Winkel zwischen der Endfläche der Faser und dem Laserstrahl durch ein Wippen der zwei Halter im Verhältnis zueinander justiert wird.
Es ist bekannt, dass es äussert schwierig sein kann, ein Feinjustieren oder Feintrimmen mehrerer Bestandteile in einem optischen System vorzunehmen, wenn verschiedene Justierungsparameter, in dem vorliegenden Fall nämlich x, y, z, θx, θy, aufeinander einwirken, sodass sich ein früher eingestelltes Parameter ändert, sobald ein anderes Parameter justiert wird.
Dazu kommt, dass der Zwischenraum zwischen dem Objektiv und der Endfläche der Faser, d.h. die Fokussierungszone in dem bekannten Manipulator frei zugänglich ist, sodass die bekannte Konstruktion nicht mit zusätzlichen Parametern rechnet, die das Einkopplungsvermögen beeinflussen könnten, nämlich Temperatur- und Vibrationsstabilität, Feuchtigkeit und Staub auf dem Objektiv und der Endfläche der Faser, usw.
Die Erfindung unterscheidet sich von der bekannten Technik durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angeführten Massnahmen.
Grundgedanke mit der Erfindung war nur die Faser und/oder die Trägermittel für die Faser und die Optik in der z-Achsenrichtung grob- oder feinjustierbar zu machen, während die Justierungsfunktionen der Parameter x, y, θx, θy, im Gegensatz zu der bekannten Lösung, nun auf das innerhalb des Gehäuses, mit Hilfe der Justiermittel x-y-verschiebbare und kippbare Tragrohr für den Glaskörper übertragen wurden.
Damit wird ermöglicht - dies wird in der Beschreibung später näher erläutert - die erwähnten fünf Parameter (x, y, z, θx, θy) voneinander unabhängig zu trimmen; und mit Hilfe des optischen Körpers erhält man ein sehr feines Trimmen, da sich der Strahl, selbst bei grossen Bewegungen des Glaskörpers, nur sehr wenig bewegt.
Ausserdem erzielt man eine Reihe von Vorteilen. Erstens sind sämtliche aktive Bestandteile des Manipulators in dem Gehäuse eingekapselt und somit von von aussen kommenden physischen Beeinflussungen geschützt.
Man erhält mit ganz wenigen Teilen eine sehr leichte und kompakte Konstruktion.
Erwähnte Haltemittel können zweckmässig darin bestehen, dass die Justiermittel aus weichem Eisen hergestellt sind, und dass zumindest ein Teil des Tragrohres magnetisch ist. Die Magnetkraft wird somit das Tragrohr mit den Justiermitteln in Berührung halten.
Zufolge einer zweckmässigen Ausführungsform der Erfindung kann ein Federteil hauptsächlich in der schneidenden Ebene zwischen einer die x-Achse und die z-Achse enthaltenden Ebene und einer Ebene, die die y-Achse und die z-Achse enthält, angeordnet sein, während die Justierungsmittel hauptsächlich in der ersten bzw. der zweiten von zwei Ebenen (x, z), (y, z) auf der gegenüberliegenden Seite des Tragrohres im Verhältnis zum Federteil angeordnet sind. Damit erhält man eine vorwiegend symmetrische, d.h. ausbalancierte Konstruktion, wo das Federteil eine gleichmässige Gegenkraft zu den Justiermitteln bietet.
Der Glaskörper kann vorzugsweise eine im wesentlichen flache Strahleneingangsfläche und eine im wesentlichen gekrümmte Strahlenausgangsfläche aufweisen.
Eine besonders zweckmässige Ausführungsform der Erfindung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass zwei der Justiermittel mit ihrer x-y-Ebene mit der Hauptebene der Ausgangsfläche des optischen Glaskörpers zusammenfallend oder im wesentlichen zusammenfallend angeordnet sind, während zwei andere der Justiermittel mit ihrer x-y-Ebene in der Nähe der Eingangsfläche des Glaskörpers angeordnet sind.
Mit dieser Ausführungsform, wo der Glaskörper in seinem Tragrohr dazu gebracht werden kann um eine rechtwinkelig zur z-Achse liegende Achse zu wippen und mit der Hauptebene der Ausgangsfläche des Glaskörpers zusammenzufallen oder annähernd zusammenzufallen, erhält man ein totales oder nahezu totales Auskoppeln zwischen den Parametern x, y und θx, θy.
Die Erfindung wird nachstehend näher erläutert unter Hinweis auf die schematische Zeichnung, auf der
Fig. 1 ein Prinzipdiagramm darstellt, das das Einkoppeln von Laserlicht auf eine optische Faser aufzeigt,
Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemässen Einkopplungsmanipulator, und
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Teil des erfindungsgemässen Manipulators zeigen.
Fig. 1 ist ein Prinzipdiagramm zum Einkoppeln von Laserlicht auf eine optische Faser. 1 stellt die optische Faser dar und 2 den lichtleitenden Kern der Faser, der einen Durchmesser von beispielsweise 5 um aufweist. 4 stellt fokussierende Optik dar, die einen in der Pfeilrichtung eintreffenden kollimierten Laserstrahl 5 aufnimmt und wie bei 3 gezeigt, einen fokussierten Laserstrahl an die Endfläche der Faser abgibt.
Mit Hinblick auf die nachfolgende Beschreibung ist ein rektanguläres Koordinatensystem definiert, dessen z-Achse mit der optischen Achse des Manipulators zusammenfällt, einer x-Achse, die z.B. in der Ebene von Fig. 2 liegt, und einer y-Achse, die rechtwinkelig zur Ebene von Fig. 2 verläuft, vgl. auch Fig. 3. Mit Hinblick auf eine optimale Einkopplungsfähigkeit müssen eine Reihe von Forderungen erfüllt sein:
- der Laserstrahl ist auf einen Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des Faserkerns innerhalb Teilen von um zu fokussieren,
- die Plazierung des Fokussierungspunktes in der Längsrichtung der Faser, d.h. in der axialen z-Richtung, muss bei der Endfläche der Faser mit einer Präzision innerhalb von wenigen um liegen,
- die Plazierung des Fokussierungspunktes in einer rechtwinkelig zur z-Achse liegenden Ebene, d.h. im Verhältnis zu den Richtungen von x- und y- Achsen, muss im Zentrum der Faser mit einer Präzision innerhalb Teilen von um liegen,
- der Winkel zwischen der Endfläche der Faser und dem fokussierten Laserstrahl 3 - Winkel, der danach durch seine Komponenten θx und θy im Verhältnis zu den x- bzw. den y-Achsen definiert wird, muss innerhalb uRad rechtwinkelig sein, und
- die Ortung der Polarisationsrichtung des Laserlichts gegenüber der Polarisationsachse (α) der Faser innerhalb weniger uRad sein muss.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Einkopplungsmanipulators. Der Manipulator ist mittels einer senkrechten Stützplatte 6 auf einer optischen Bank (nicht gezeigt) montiert. Der Manipulator umfasst ein Gehäuse 7, das an seinem einen Ende einen Flansch 8 aufweist, der durch Schrauben 9 auf der Stützplatte befestigt ist. Die Stützplatte 6 weist eine Öffnung 10 zur Passage eines von einem Laser kommenden Laserstrahls 5 auf.
Im Inneren des Gehäuses 7 befindet sich ein Tragrohr 11 für den optischen Glaskörper 12. An seinem von der Stützplatte 6 abwendenden Ende ist das Gehäuse 7 mit einem Rohrstück 13 versehen, worin ein Pfropfen 14 eingesetzt ist. Dieser Pfropfen 14 ist wie gezeigt röhrförmig und beinhaltet sowohl eine Strahlenfokussierungslinse, nämlich die früher erwähnte Optik 4, als die Faser 1, 2 an sich. Die Funktion des Pfropfens wird später erläutert werden.
Das Gehäuse 7 ist ferner mit vier Schrauben, z.B. Mikrometerschrauben, zum Justieren des den Glaskörper 12 tragenden Rohres 11 ausgestattet, nämlich zwei Schrauben in der x-Ebene (Fig. 2) mit Köpfen 15, 16 in Anlage an das Tragrohr 11 und mit zugehörigen, ausserhalb des Gehäuses zugänglichen Fingergriffen 17, 18, und zwei ähnlichen Schrauben in der y-Ebene (Fig. 3). Fig. 3 zeigt natürlich nur die vordere der zwei Schrauben in der y-Ebene, mit dem Kopf 19 in Anlage gegen das Tragrohr 11 und mit ausserhalb des Gehäuses zugänglichem Fingergriff 20, wobei sich die andere der zwei letztgenannten Schrauben hier hinter dem Zeichnungsplan von Fig. 3 befindet.
Nochmals auf Fig. 2 verweisend, befindet sich die x-Justierungsschraube 15, 17 und die zugehörige, nicht gezeigte y-Justierungsschraube in einer zur optischen Achse (z-Achse) rechtwinkeligen Ebene bei dem der Stützplatte 6 am nächsten liegenden Ende des Tragrohres 11, während die zweite x-Justierungsschraube 16, 18 und die zugehörige y-Justierungsschraube 19 (Fig. 3) ebenfalls in einer rechtwinkelig zur optischen Achse (z-Achse) bei dem Ende des Tragrohres 11, das am nahesten bei der Fokussierungslinse 4 liegt, angeordnet ist.
Ferner ist zwischen dem Gehäuse 7 und dem Tragrohr 11, vorzugsweise in der Mitte zwischen dem ersten Paar x-y-Justierungsschrauben an einem Ende des Tragrohres 11 und dem zweiten Paar x-y-Justierungsschrauben 16, 18; 19, 20 (Fig. 3) an dem entgegengesetzten Ende des Tragrohres 11 ein Federteil 21, das aus Metall, Gummi oder Elastomermaterial bestehen kann, angeordnet.
Unter Hinweis auf Fig. 3 wird ersichtlich sein, dass dieses Federteil 21 auch in der sich schneidenden Ebene zwischen x-Ebene und der y-Ebene zentriert ist, d.h. auf der entgegengesetzten Seite des Tragrohres 11 im Verhältnis zu den zwei Paaren von x-y-Justierungsschrauben angeordnet ist. Dieses Federteil presst das Tragrohr 11 gegen die vier Schraubenköpfe an.
Als alternative Lösung anstelle des Federteils können Schrauben aus weichem Eisen und ein Tragrohr 11 aus magnetischem Material verwendet werden, sodass durch die Magnetkraft das Tragrohr gegen die Schrauben gepresst wird.
Bei dem von der Stützplatte 6 am weitesten weg liegenden Ende des Pfropfens 14 ist ein Justierring 22 vorgesehen, der bei Drehen ein Trimmen der Polarisationsachse der Faser gegenüber der Polarisationsrichtung des Laserlichts ermöglicht und bei axialer Verschiebung ein Feintrimmen der Position des Faserendes in der z-Richtung erlaubt.
Was den im Tragrohr 11 angeordneten Glaskörper 12 betrifft, sei ferner bemerkt, dass dieser eine flache oder annähernd flache Eingangsfläche für den eintreffenden Laserstrahl 5 und eine gekrümmte Ausgangsfläche für den zur Linse 4 abzuleitenden Laserstrahl aufweist.
Die Wirkungsweise des hier beschriebenen Manipulators wird nun näher erläutert.
Der eintref fende Laserstrahl 5 trifft auf die Eingangsfläche des Glaskörpers 12 auf, durchdringt den Glaskörper, verlässt die Ausgangsfläche des Glaskörpers, trifft auf die Fokussierungslinse 4 auf und wird von dieser Linse an der Endfläche der optischen Faser fokussiert. Mit Hilfe einer hier nicht gezeigten Messvorrichtung, die z.B. lichtempfindliche Dioden oder optische Mittel umfasst, welche an die Faser oder den Manipulator angeschlossen werden, wird die Lichtstärke gemessen, wobei eine maximale Lichtstärke entsprechend optimaler Justierung im Manipulator angestrebt wird.
Durch ein axiales Verschieben der Faser 1, 2 in der einen oder anderen Richtung im Pfropfen 14 im Gehäuse 7 wird eine Grobjustierung in der z-Richtung vorgenommen; und durch ein Verschieben des Pfropfens 14 im Verhältnis zum Rohrstück 13 und damit im Verhältnis zum Gehäuse 7 erhält man eine Feinjustierung. Mit Hilfe der Schrauben 16, 18; 19, 20 nahe bei der Linse 4 wird eine Feinjustierung in den x- und y-Richtungen vorgenommen, wobei man das Tragrohr 11 für den Glaskörper 12 gegen die Kraft des Federteils 21 zum Wippen bringt und das Tragrohr fortwahrend gegen die Schraubenköpfe anpresst.
Mit Hilfe des zweiten Schraubenpaares, nämlich der x-Schraube 15, 17 und der zugehörigen (nicht gezeigten) y-Schraube nahe bei der Eingangsfläche des Glaskörpers wird der Winkel des Glaskörpers im Verhältnis zur z-Achse, d.h. durch ein Wippen dess Glaskörpers, fortwährend gegen die Federkraft des Federteils 21, justiert. Dies ermöglicht ein Feintrimmen von θx und θy. Es wird unterstrichen, dass bei einem Wippen des Glaskörpers 11 im Verhältnis zum Scheitelpunkt dessen gekrümmter Ausgangsfläche keine Koppelung zwischen der Winkeljustierung und der Justierung der x-y-Position stattfindet.
Ferner sei bemerkt, dass eine x-y-Justierung durch die Schrauben 16, 18; 19, 20 bei dem der Fokussierungslinse 4 am nächsten liegenden Ende des Glaskörpers 12 eine schwache Koppelung im Verhältnis zu θx und θy ergibt, bei einem abschliessenden Justieren des zweiten Schraubenpaares diese Koppelung jedoch aufgehoben wird. Ein axiales Feinjustieren (z-Richtung) und Feintrimmen der Polarisationsbedingungen wird gegebenenfalls mit Hilfe des Justierrringes 22 vorgenommen.
Ein derart ausgestatteter Manipulator ermöglicht ein Trimmen der fünf vorerwähnten Parameter unabhängig voneinander. Aufgrund der Formgebung des optischen, wippbaren Glaskörpers 12 mit flacher Eingangsfläche und gekrümmter Ausgangsfläche erzielt man ein sehr feines Trimmen, da sich der Strahl nur wenig bewegt, auch wenn der Glaskörper eine grosse Bewegung ausführt. Verglichen mit einer mechanischen Ausführung ohne Glaskörper wird hier faktisch ein Untersetzungsverhältnis erzielt, das zehnmal bessser ist. Dies führt ferner den zusätzlichen Vorteil mit sich, dass es aufgrund dieses herabsetzenden Effekts im Glaskörper keiner Justierungsschrauben mit sehr feinen Toleranzen bedarf.
Dazu kommt, dass die Endfläche der Faser hinter der Fokussierungslinse eingekapselt ist, und dass sämtliche optische und bewegliche Teile im Gehäuse eingeschlossen und deshalb auch geschützt sind.
Abschliessend sei bemerkt, dass der Pfropfen 14 vom Manipulator ganz abgekoppelt und später wieder eingekoppelt werden kann, und dass ein passendes Vortrimmen mit angemessener Einkopplungsfähigkeit, eventuell nach einem erwunschten wiederholten Feintrimmen in der z-Richtung, fortwährend gewährleistet ist.

Claims

1. Manipulator zur Einkopplung von Laserlicht in eine optische Faser, von der Art umfassend:

Trägermittel (13, 14) für die optische Faser (1, 2); ein optisches System (4) zum Fokussieren eines hauptsächlich axial eintreffenden Laserstrahls (5) auf einer Endfläche der optischen Faser,

erste Mittel (22) zum Justieren der Position der Endfläche der optischen Faser in der axialen z-Richtung der Faser entsprechend der optischen Achse des optischen Systems (4) und im Verhältnis zu dem fokussierten Laserstrahl;

zweite Mittel (16, 18; 19, 20) zum Justieren des von dem fokussierten Laserstrahl erzeugten Leuchtpunktes auf der Endfläche der Faser in zueinander und zur z-Achse rechtwinkelige x- und y-Richtungen; wobei der Manipulator dadurch gekennzeichnet ist, dass er umfasst:

dritte Mittel (15, 17) zur Winkeleinstellung der Achsenrichtung der Faser im Verhältnis zur Achsenrichtung des auf die Endfläche der Faser auftreffenden Laserstrahls; ein zur Anbringung in die Bahn des Laserstrahls (5) vorgesehenes und mit einer Einlassöffnung (10) für den eintreffenden Laserstrahl (5) versehenes Gehäuse (7); einen optischen Glaskörper (12);

ein im Gehäuse vorgesehenes Tragrohr (11) für den auf der z-Achse angeordneten optischen Glaskörper (12); vierte Mittel (21), die das Tragrohr (11) mit an dem einen bzw. an dem anderen Ende des Tragrohrs (11) angebrachten Justiermitteln (15, 17; 16, 18; 19, 20) in Berührung halten und zur Justierung der Winkelposition und der Position in den x- und y-Richtungen des Tragrohres (11) im Verhältnis zur z-Achse im Gehäuse (7) dienen; und ferner dadurch gekennzeichnet, dass das hauptsächlich rohrförmige Trägermittel (14) in der axialen z-Richtung im Verhältnis zum Gehäuse (7) verschiebbar ist und das optische System (4) trägt.

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vierten Haltemittel darin bestehen, dass die Justiermittel aus weichem Eisen hergestellt sind, und dass zumindest ein Teil des Tragrohres (11) magnetisch ist.

3. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (21) im wesentlichen in der Halbierungsebene zwischen einer Ebene, welche die x-Achse und die z-Achse beinhaltet, und einer Ebene, die die y-Achse und die z-Achse beinhaltet, angeordnet ist, und dass die zweiten und dritten Justiermittel hauptsächlich in der ersten bzw. der zweiten von zwei Ebenen (x, z), (y, z) auf der gegenüberliegenden Seite des Tragrohres (11) im Verhältnis zur Feder (21) angebracht sind. (Fig. 3)

4. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (12) eine im wesentlichen ebene Strahleneinlassfläche und eine im wesentlichen gekrümmte Strahlenauslassfläche aufweist.

5. Manipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten und dritten Justiermittel durch die Gehäusewand (7) und in Richtung zur z-Achse verlaufende einstellbare Schrauben sind, wobei das eine Ende der Schrauben (15, 16, 19) gegen das Tragrohr (11) anliegt, während das andere Ende (17, 18, 20) ausserhalb des Gehäuses für Justierung zugänglich ist.

6. Manipulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei (16, 18; 19, 20) der zweiten Justiermittel so angeordnet sind, dass deren x-y-Ebene mit der Hauptebene der Auslassfläche des optischen Glaskörpers (12) zusammenfällt oder im wesentlichen zusammenfällt, während zwei andere (15, 17) der dritten Justiermittel mit ihrer x-y-Ebene in der Nähe der Einlassfläche des Glaskörpers (12) beliegend angebracht sind.

7. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Trägermittel (14) um die z-Achse drehbar ist.

8. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Trägermittel (14) so ausgebildet ist, dass es aus dem Gehäuse (7) herausgenommen und in dieses wiederum eingesetzt werden kann.