HeNe-Laser mit polarisationserhaltender Faseroptik

PR-Bericht
Faseroptik
HeNe-Laser mit
polarisationserhaltender
Faseroptik
Gregor Federau, Christian Knothe, Ulrich Oechsner, Siegfried Polze, Schäfter+Kirchhoff GmbH, Hamburg
Seit über 40 Jahren sind Helium-NeonLaser das Rückgrat von Interferometern
sowie spektroskopischen und holographischen Messgeräten.
Wird Wellenlängen- und Frequenzstabilität gefordert, ist der HeNe-Laser
vom Preis-Leistungs-Verhältnis, von der
Lebensdauer und der Zuverlässigkeit her
vielen anderen Laserstrahlquellen
überlegen. HeNe-Laser mit
polarisationserhaltender Faseroptik
erweitern deren Einsatzmöglichkeiten
in Forschung und Industrie.
Die Laserstrahleinkopplung in Singlemode-Faserkabel ermöglicht die räumliche Trennung von Laserstrahlquelle
und Messapparatur.
Voluminöse, Abwärme erzeugende
Laserstrahlquellen können in sicherer
Entfernung vom Experiment in
separaten Räumen untergebracht
werden, aufwändige Strahlumlenkungen entfallen.
Die Verwendung fasergekoppelter
HeNe-Laser hat auch aus der Sicht des
Laserschutzes Vorteile. Es können
räumlich verteilte und trotzdem vollständig geschlossene Apparaturen
erstellt werden, bei denen kein Laserstrahl ins Freie dringt (Laserschutzklasse 1).
1
2
P1
3
3.2
3.1
Bild 1: HeNe-Laser mit polarisationserhaltenden Singlemode-Faserkabeln.
1
HeNe-Laser 632,8 nm mit typ. 30 mW Ausgangsleistung am Faserende.
2
HeNe-Laser 543,5 nm oder 594,1 nm mit 0,7 bzw. 1,4 mW.
3
Frequenzstabilisierter HeNe-Laser 632,8 nm, 3.1 integrierter Faraday-Isolator.
3.2 Montagekonsole mit integriertem Schock- und Vibrationsabsorbern.
P1 Gaußförmiges Stahl- und Intensitätsprofil der Singlemodefaser.
Wesentliche Leistungsmerkmale der Faserkopplung mit Komponenten von Schäfter+
Kirchhoff sind eine hohe
Laser Beam Coupler
Koppeleffizienz mit bis zu
A
1.1
for Singlemode
fiber
85% der primären Laserleistung am Faserausgang,
inclined
eine gute Polarisationserhalfiber coupling axis
tung und eine transport1
stabile Mechanik. Am Ende
2
der Singlemode-Faser tritt
ein divergenter, monomodig
3
gaußförmiger (TEM00) Strahl
aus. Zur Erzeugung paralleler Strahlenbündel stehen
4
Faserkollimatoren mit BrennP1
weiten von 3 bis 150 mm zur
Verfügung. Die gute Strahlqualität des HeNe-Lasers
Bild 2: Faseroptik-Komponenten für die Einkopplung in
bleibt erhalten.
polarisationserhaltende Singlemodefasern. A HeNe-Laser,
1 Laserstrahlkoppler 60SMS, 1.1 Adapter 60A19,5-F-AT,
Der
Laserstrahlkoppler
2 polarisationserhaltendes Singlemode-Faserkabel
60SMS, polarisationserhaltende
Singlemode-FaserPMC-630-.., 3 Faserkollimator 60FC-4-M12-33,
4 Mikrofokusoptik 5M-...
kabel PMC und Faserkolli-
matoren 60FC sind Grundkomponenten
des für eine effektive Laserstrahlkopplung
und Strahlführung entwickelten Baukastensystems von Schäfter+Kirchhoff (vgl. Bild 1
und 2). Hinzu kommen weitere Komponenten wie der bei frequenzstabilisierten
HeNe-Lasern benötigte Faraday-Isolator.
Neben kompletten fasergekoppelten Laserstrahlquellen sind die Komponenten auch
einzeln erhältlich.
1 System-Komponenten
Singlemode-Faserkabel
Singlemodefasern transportieren Strahlung
in ihrem transversalen Grundmodus TEM00.
Beim Austritt aus dem Faserkern liegt eine in
guter Näherung gaußförmige Feldverteilung
(Modenfeld) vor. Der Faserkerndurchmesser
und die Brechzahlen von Kern und Mantel,
legen die sog. Cut-Off-Wellenlänge und die
Numerische Apertur (NA) der Faser fest.
Photonik 2/2007
53
Faseroptik
PR-Bericht
PM:
A2 PANDA
A3
PM: OVALINNER CLAD
Bild 3: Unterschiedliche Typen von polarisationserhaltenden Singlemodefasern.
Polarisationserhaltende
Singlemodefasern
Polarisationserhaltende Singlemodefasern
haben integrierte Spannungselemente, die
den Erhalt des Polarisationszustandes eines
linear polarisierten Eingangsstrahls gewährleisten (Bild 3). Diese Fasern haben eine
„schnelle“ (fast) und eine „langsame“ (slow)
Achse. Der Polarisationszustand linear polarisierter Strahlung, die genau in einer der
beiden Achsen eingekoppelt wird, bleibt
erhalten. Bei Abweichungen ist die Strahlung
am Ende der Faser instabil elliptisch polarisiert. Vibrationen, Temperaturänderungen
und Biegen des Faserkabels verändern den
Polarisationszustand.
Beim Einkoppeln in polarisationserhaltende
Singlemodefasern muss die Faser daher
Ø 13,5%
Ø 50%
3
5
6
4
Ø 5%
SF
1
2
3
Singlemodefaser
Kerndurchmesser
MFD = Modenfeld-Ø
Intensitätsniveau 13,5 %
SF
4
5
6
2
1
Intensitätsniveau 5 %
2•NA (5 %)
2•NA (13,5 %)
Bild 4: Strahlprofil einer Singlemodefaser,
Definition von numerischer Apertur NA
und Modenfelddurchmesser MFD.
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Photonik 2/2007
1.2
inclined fiber coupling axis
1
1.1
TILT
Bild 5: Laserstrahlkoppler 60SMS-... 1 mit
TILT-Justierung 1.1 und Fokussierung 1.2
präzise zur Polarisationsrichtung des Lasers
ausgerichtet werden. Hilfreich ist hierfür die
online-Beobachtung der Polarisation der austretenden Strahlung mit einem PolarisationsAnalysator.
8° Schrägschliff (APC)
Singlemodefasern mit 0°-Schliff (PC) reflektieren ca. 8% der emittierten Laserstrahlung
zurück in die Laserstrahlquelle. Eine senkrechte Faserfacette bildet mit dem Laser
einen externen Resonator. Linienverschiebung und verstärktes Rauschen der Strahlquelle sind die Folge. Ein Schrägschliff der
Faserfacette (APC, Angled Physical Contact)
schafft hier Abhilfe. Durch die gleichzeitige
Schrägstellung der Koppelachse im Laserstrahlkoppler (vgl. Bild 2) werden gleich hohe
Koppeleffizienzen erreicht wie bei Faserfacetten mit 0°-Schliff und einer geraden
Koppelachse.
Laserstrahlkoppler 60SMS
Mit dem Laserstrahlkoppler wird die vom
Laser emittierte Strahlung in die Singlemodefaser gekoppelt. Das Objektiv des
Laserstrahlkopplers fokussiert die vom Laser
emittierte Strahlung auf die Faserfacette. Die
integrierte Tilt-Justierung des Laserstrahlkopplers dient dazu, den fokussierte Laserspot mit hoher Genauigkeit lateral auf das
nur wenige Mikrometer große Modenfeld zu
plazieren.
Eine optimale Einkopplung wird erreicht,
wenn das auf den Faserkern treffende Strahlenbündel deckungsgleich zu dem Strahlenbündel gleicher Wellenlänge ist, das die Faser
in umgekehrter Richtung emittieren würde
(vgl. Bild 4). Optimal sind daher Strahlenbündel mit einem gaußförmigen Intensitätsprofil, die mit einer der Numerischen Apertur
(NA) der Faser entsprechenden Konvergenz
auf den Faserkern treffen.
Zur optimalen Strahlanpassung stehen beim
Laserstrahlkoppler 60SMS Objektive mit
Brennweiten von 2,7 bis 18 mm zur Verfügung.
Zentrieren des Laserstrahlkopplers auf
der Strahlachse
Ein lateral zur optischen Achse des Kopplers
versetzter Eingangsstrahl führt zu einem
geneigt auf das Faserzentrum treffenden
fokussierten Strahl (vgl. Bild 6). Anteile des
Strahls überschreiten den Akzeptanzwinkel
der Faser. Durch den asymmetrischen Strahlverlauf im Objektiv treten zusätzlich Aberrationen wie Koma und Astigmatismus auf.
Um dies zu vermeiden, wird der Laserstrahlkoppler mit dem Adapter 60A19,5-F (vgl.
Bild 2) auf der Laserstrahlachse zentriert. Die
hierbei erforderliche Genauigkeit liegt im
Zehntelmillimeterbereich (vgl. Bild 6).
Tilt-Justierung zur lateralen Ausrichtung
des Laserspots auf dem Faserkern
Ein geneigt zur optischen Achse des Laserstrahlkopplers einfallender Laserstrahl wird
lateral versetzt zum Faserkern auf die Faserfacette fokussiert. Die Anforderung an die
Strahlparallelität ist hoch: im Fall einer
Koppeloptik mit 5 mm Brennweite genügt
bereits ein Winkel von 0,2 mrad (0,01°) um
den Spot um 1 µm gegenüber dem Faserkern
zu verschieben. Die Folge ist eine deutlich
reduzierte Koppeleffizienz (Bild 7).
Die Tilt-Justierung des Laserstrahlkopplers
neigt das Koppelobjektiv und das Faserende
um einen gemeinsamen Drehpunkt. Hiermit
wird der Fasereingang hochpräzise auf dem
Laserspot plaziert und gleichzeitig die optische Achse des Objektivs zum Strahl ausgerichtet. Durch zyklisches Lösen bzw. Festziehen der drei um 120° versetzten Justierschrauben wird die eingekoppelte Strahlung
maximiert und anschließend dieser Zustand
Rel. Efficency %
PM:
A1 BOW-TIE
Laser Beam Coupler for
Singlemodefiber
100
90
80
70
60
5.0 mm
6.2 mm
8.0 mm
11 mm
15 mm
50
0
0,2
0,4
0,6
0,8 1,0
Entrance Beam Decentration / mm
Bild 6: Koppeleffizienz bei parallel
versetztem Eingangstrahl für Objektive
f’ 5 – 15 mm.
Rel. Efficency %
Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb
der Cut-Off-Wellenlänge wird singlemodig
transportiert. Die Numerische Apertur der
Faser gibt sowohl den Abstrahl- als auch den
Akzeptanzwinkel der Faser an.
Während die hohe Strahlgüte eines HeNeLasers erhalten bleibt, oder durch die Singlemode-Faser sogar verbessert wird (die Faser
wirkt als Raumfilter), bleibt der Polarisationszustand des Lasers bei Standard-Singlemodefasern nicht erhalten. Hier hängt der
emittierte Polarisationszustand von der Lage
der Faser im Raum ab, alle Zustände
zwischen linear und zirkular polarisiert
können auftreten.
100
80
60
40
20
0
0
0,2
0,4
0,6 0,8
1,0
Entrance Beam Tilt / mrad
Bild 7: Koppeleffizienz bei geneigtem
Eingangsstrahl
PR-Bericht
mit den benachbarten Konterschrauben
dauerhaft fixiert. Hartmetallwiderlager sorgen für Langzeitstabilität.
Fokussierung auf das Modenfeld
In axialer Richtung ist die geforderte Positioniergenauigkeit geringer als lateral. Aufgrund der Schärfentiefe des Laserspots (Rayleigh-Bereich) tritt eine Verminderung der
Koppeleffizienz im Prozentbereich erst nach
einigen Mikrometern Defokussierung auf.
Zur Vereinfachung der Justage liefert
Schäfter+Kirchhoff die Laserstrahlkoppler
vorjustiert für die zu koppelnde Wellenlänge
aus. Bei einem gut kollimierten Eingangsstrahl erübrigt sich das Nachfokussieren.
2 Fasergekoppelte HeNe-Laser
für Forschung und Industrie
Der Einsatz fasergekoppelter HeNe-Laser in
Forschung und Industrie verlangt eine langzeit- und transportstabile Ausführung der
Laserstrahlkopplung.
Die Grundkomponente, der Laserstrahlkoppler 60SMS, weist eine hohe mechanische Stabilität auf. Die Tilt-Justierung
befindet sich im Endzustand der Justage im
verspannten Zustand. Das System reagiert
elastisch auf äußere Krafteinwirkungen.
Für die Gesamtstabilität ebenso wichtig sind
aber auch die Art der Adaption des Laserstrahlkopplers und die Art der Befestigung
des HeNe-Lasers. Hierfür stehen unterschiedliche Montagetechniken zur Verfügung (Bild 8). Die höchste Stabilität wird
erreicht, wenn HeNe-Laser und Adapter
gemeinsam von einer Montagekonsole
getragen werden (Bild 8, 3). Schwingungsdämpfer fangen Stöße und Vibrationen ab
und verhindern ein Verziehen des sich
erwärmenden Lasergehäuses.
Ausführungen
Fasergekoppelte HeNe-Laser sind mit den
Wellenlängen 543,5 nm (grün), 594,1 nm
(orange) und 632,8 nm (rot) erhältlich. Im
roten Spektralbereich stehen am Faserende
Laser-Ausgangsleistungen bis 30 mW zur
Verfügung, die maximale Ausgangsleistung
der anderen Wellenlängen ist niedriger (vgl.
Tabelle 1). HeNe-Laser hoher Leistung
haben eine deutlich größere Baulänge als
HeNe-Laser niedriger Leistung (Bild 9).
Wellenlänge (nm) 543,5 594,1 632,8 632,8
0,7 1,4 0,7 1 – 30
Leistung
ex Fiber (mW)
ja
ja
ja
ja
Polarisiert
–
–
ja
–
Stabilisiert
2
2
3
1
Bild 1
Tabelle 1: Verfügbare fasergekoppelte
HeNe-Laser unterschiedlicher Wellenlänge.
Faseroptik
Bild 8: Faseroptik und Zubehör
für die Laserstrahlkopplung
Optical Scheme:
Laser
Attenuator
Systemkomponenten von
Schäfter+Kirchhoff:
Laserstahlkoppler
60SMS-1-4
B Adapter 60A19,5F-AT mit integriertem Laser-Attenuator.
Variable Leistungsabschwächung
durch partielle Abschattung des
Eingangsstrahls.
Zur Zentrierung des Laserstrahlkopplers zum Strahl wird der
Adapter lateral verschoben.
C Polarisationserhaltendes Singlemode-Faserkabel PMC-630
Montagekonsolen:
D Montagekonsole MC-MG-44,5-R
mit Elastomer-Shockmounts.
Stöße und Vibrationen werden
gedämpft, die bei fester Aufnahme
des Lasers gegebene Gefahr einer
thermischen Verformung des
Lasers wird vermieden.
E Montagekonsole MC-MG-44,5-F-S
Schwingungsdämpfung mit Stahlfeder-Elementen (Absorbtion von
Beschleunigungen und Stößen in
allen Richtungen). Der Adapter für
den Laserstrahlkoppler wird hier
direkt an der Montagekonsole
befestigt.
A
Ausführungen:
1 und 2 : Der Adapter für den Laserstrahlkoppler wird direkt an der
Frontplatte des Lasers befestigt.
Nur möglich falls die Frontplatte
eine hinreichende Stabilität bietet.
3 Montagekonsole und Adapter
bilden eine mechanische Einheit.
Der Laser ruht in der schwingungs-
B
1
A
C
B
2
A
D
C
B
A
3
E
C
gedämpften Aufnahme. Unabhängig
von der Beschaffenheit der Frontplatte des Lasers werden Laserstrahlkoppler und HeNe-Laser mit dieser
Montagetechnik zu einer funktionsund transportstabilen Einheit.
632,8 nm – Ex Fiber 0,7 mW
632,8 nm – Ex Fiber 7 mW
543,5 nm – Ex Fiber 0,7 mW
632,8 nm – Ex Fiber 12 mW
632,8 nm – Ex Fiber 30 mW
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 mm
Bild 9: Baugröße unterschiedlicher HeNe-Laser im Vergleich. Mit steigender Leistung
werden die Lasersysteme länger. Deutliche Leistungsunterschiede bei gleicher Länge gibt
es zwischen den Versionen für 543,5 und 632,8 nm.
Photonik 2/2007
55
Faseroptik
PR-Bericht
Frequenzstabilisierte HeNe-Laser
Bei HeNe-Lasern handelt es sich generell um
stabile und hochkohärente Strahlquellen.
Für sehr hohe Anforderungen an die
Frequenz- oder Leistungsstabilität, insbesondere über längere Zeiträume, gib es speziell stabilisierte HeNe-Laser, bei denen die
Länge des Resonators thermisch kontrolliert
wird (s. Bild 10). Hiermit wird alternativ eine
sehr hohe Leistungsstabilität oder Frequenzstabilität erreicht:
4
1.1
FC-Stecker
Option:
LWL-Ferrule
Ø 2,5 mm
Ø 12 mm
1
1.4
1.2
Frequenzstabilisierter Modus:
Intensität: ca. 1 %
Frequenz: ± 0.5 MHz (1 Stunde)
± 3 MHz
( 8 Stunden)
Faraday-Isolator für frequenz- oder
leistungsstabilisierte HeNe-Laser
Der Regelkreis frequenz- oder leistungsstabilisierter HeNe-Laser ist empfindlich
gegen Rückstreuungen in den Laserresonator (optisches Feedback). Die Verwendung
von Faserkabeln mit APC-Steckern (8°Schrägschliff) ist hier nicht hinreichend. Der
direkte Reflex beim Eintritt in die Faser wird
zwar vermieden, trotzdem gibt es diffuse
Rückstreuungen aus der Faser oder dem
nachfolgenden optischen Aufbau, die ausreichen, um den Laser zu stören.
Bei frequenzstabilisierten HeNe-Lasern wird
daher ein Faraday-Isolator 48FI zwischen
Laser und Laserstrahlkoppler eingefügt (Bild
10). Der Faraday-Isolator wirkt als optische
Diode. Strahlung wird nur in einer Richtung
durchgelassen.
A
,
Kollimationsoptik
Arretierung der
1.20,82⋅π⋅NA.
1.3
Kollimationsoptik
1.3 Arretierung der
Vorsatzoptiken
1.4 Gewindestift M1,6
für die zusätzliche Arretierung
der LWL-Ferrule
Ø Strahl = 1,6 f’ NA.
Durch Veränderung
der Fokuseinstellung
2 Mikrofokus-Optik
des Faserkollimators
5M-... und 13M-...
können auch fokusBild 11: 1 Faserkollimator 60FC-... (Gehäuse-Ø 12 mm)
sierte oder divergente
Zubehör:
Strahlen eingestellt
2 Mikrofokus-Optik 5M-...
werden.
Erhältlich
3 Polarisationsfilter 5PF-... (10000 : 1)
sind Faserkollimatoren mit Optiken von 2,7
4 Singlemode-LWL mit FC-Stecker
bis 150 mm Brennweite. Langbrennweitige
Kollimatoren haben zur Strahlausrichtung
3 Systemerweiterungen
eine integrierte Tilt-Justierung (Baureihe
60FC-T). Durch Randvignettierung der kolliFür Systemerweiterungen bietet Schäfter+
mierten Laserstrahlung verursachte Beugung
Kirchhoff ein breites Spektrum von faserund Abbildungsfehler werden vermieden.
optischen und opto-mechanischen Komponenten an. Faserkollimatoren und MikroMikrofokusoptiken
fokusoptiken zur Strahlformung seien hier
Mikrofokusoptiken (Bild 11, 2) fokussieren
als Beispiel genannt, weitere Produkte wie
den kollimierten Laserstrahl zu Mikrospots
z.B. Vakuumdurchführungen, polarisationsmit gaußförmigem Intensitätsprofil.
optische Komponenten und faseroptische
Die Größe des mit einer Mikrofokus-Optik
Beamsplitter sind auf der Website von
erzeugten Spots hängt vom BrennweitenSchäfter+Kirchhoff beschrieben (siehe Webverhältnis Mikrofokus / Faserkollimator und
code).
dem Modenfeldduchmesser (MFD) der
Singlemodefaser ab. Wie das Modenfeld ist
Faserkollimatoren
auch die erreichbare Spotgröße proportional
Faserkollimatoren transformieren die diverzur Wellenlänge. Im violetten Spektralgente Laserstrahlung am Ausgang einer
bereich (nahe 400 nm) sind Mikrospots ab
Singlemodefaser zu einem kollimierten
0,6 µm Durchmesser möglich.
Strahlenbündel mit wiederum gaußförmiger
Intensitätsverteilung (Bild 11). Die BrennFazit
HeNe-Laser mit Faseroptik und Montagetechnik von Schäfter+Kirchhoff machen die
seit Jahrzehnten bewährte Strahlquelle fit für
B
neue Einsätze und Messapplikationen. Aufgrund der langen Lebensdauer (bis zu 10
C
Jahre, auch im Dauerbetrieb) lohnt es sich,
D
alte Systeme, die zur Zeit ein Schattendasein
im Gerätefundus führen, mit Faseroptik von
Schäfter+Kirchhoff zu reaktivieren.
3 Polarisationsfilter
5PF-.../13PF-...
Leistungsstabilisierter Modus:
Intensität: ± 0.1%
(1 Stunde)
Frequenz: ± 5 MHz
(1 Stunde)
der
1.1 Fokussierung
2⋅λ
MFD =
weite f’ der Kollimationsoptik und die
Numerische Apertur
(NA) der Faser bestimmen den kollimierten
Strahldurchmesser
gemäß
E
F
Bild 10: Frequenz- bzw. Leistungsstabilisierter HeNe-Laser mit polarisationserhaltender
Faseroptik. A HeNe-Laser 117A, B Farady-Isolator 48FI-5-630 (optische Diode),
C Adapter 48AT-S mit integriertem Shutter, D Laserstrahlkoppler 60SMS-1-4-…,
E polarisationserhaltendes Singlemode-Faserkabel PMC-630-…,
F Montagekonsole MC-SP-45-S.
56
Photonik 2/2007
Präsentation
Laser 2007, 18.-21. Juni 2007,
Neu Messe München, Halle B1, Stand 102
Kontakt
Schäfter+Kirchhoff GmbH
Kieler Str. 212 · D-22525 Hamburg
Telefon 040/853997-0
[email protected]
www.SuKHamburg.de
www.photonik.de Webcode 2003