WO1995029277A1 - Process for producing micro-optical elements or a fibre end in the form of a micro-optical element, and the use of such elements - Google Patents

Process for producing micro-optical elements or a fibre end in the form of a micro-optical element, and the use of such elements Download PDF

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Lukas KÜPPER
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Kuepper Lukas
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Definitions

  • the present invention relates to methods for producing micro-optical elements or a fiber end in the form of a micro-optical element, a starting material being brought into a shape of the micro-optical element.
  • the invention further relates to the use of such elements.
  • EP-AI 0567896 A method of the type described above is specified in EP-AI 0567896.
  • This patent application describes, inter alia, the production of a micro-optical element, wherein a carrier made of a ceramic-metal composite material is first provided, on one side of which a layer is applied which has a negative shape with respect to one half of the lens to be produced. This layer is then coated on its upper side with various alloy layers and with a final protective layer, which is said to have the property not to bond with glass.
  • a carrier made of a ceramic-metal composite material is first provided, on one side of which a layer is applied which has a negative shape with respect to one half of the lens to be produced.
  • This layer is then coated on its upper side with various alloy layers and with a final protective layer, which is said to have the property not to bond with glass.
  • a second, negative one Mold half are made, which is used to form the other half of the lens. These two forms are then clamped in a press arrangement.
  • a thin glass plate is inserted into the mold, then the glass plate is heated above its softening temperature and the pressure mold halves are moved toward one another under pressure, so that the glass fills the cavity of the mold. After cooling, the glass lens is removed from the mold.
  • An essential problem that this document deals with is the avoidance of the glass sticking to the press mold, for which purpose various intermediate and protective layers are applied to the molds in each case. These protective layers are made, for example, from an alloy of the platinum group. By applying the protective layers, the method is complex, moreover it cannot be avoided that the material of the protective layer nevertheless connects to the lens material or adheres to the pressed lens. Glasses are used as the starting material. Their transparency is restricted to a narrower spectral range than the transparency of crystalline materials.
  • transparent glasses in the far infrared have a very low softening temperature and crystallize very easily when heated by, for example, laser radiation, which destroys their optical transparency.
  • Eg Ge 0 As 50 Te 40 glass is transparent in the spectral range 1.6 / 25 / Um and has a freezing temperature of only 170 ⁇ C (see: E. Hartouni; F. Huldermann and T. Guiton, SPIE Proceedings 505 (1984 ), Pages 131-140).
  • Crystalline Csl is transparent in the spectral range 0.25 ... 80 ⁇ m and has a melting point of 62TC (see: AL Gentile, M.
  • US Pat. No. 5,080,706 describes a method for producing cylindrical microlenses with an elliptical or hyperbolic cross-sectional shape.
  • a glass preform is first produced, the cross-sectional contours of which correspond to the cross-sectional contour of the microlens to be produced.
  • This preform is then heated until it becomes viscous.
  • the cross-sectional shape of the stripped fibers correlating directly to the cross-sectional shape of the preform.
  • the drawn fiber is then divided into individual, cylindrical microlenses.
  • the material used for the lenses is one which has a sufficient viscosity so that the fiber with a reduced, congruent cross section can be removed from the preform.
  • optical components are made of materials such as ZnSe, ZnS, Al-O- ,, CdTe, Si, BaF 2 , KRS-6, KRS-5, Csl, AgCl, AgBr, NaCl, NaI, KCL, KBr, CsCl, KI and CsBr made in the form of plates or blocks.
  • materials are offered, for example, by the product information "Precision Optical Components" from LOT GmbH.
  • Plano-convex, biconvex or biconcave, plano-concave and meniscus lenses with diameters in the range of at least 10 mm are available from the above materials.
  • microlenses based on Si and S ⁇ have also become established in recent years, in which etching techniques or photolithographic techniques are used.
  • the transparency of these lenses made of crystalline SiO 2 quartz is limited to the narrow spectral range from 0.15 to 4 ⁇ m and for pure Si to the narrow spectral range from approximately 1.2 to 8.5 ⁇ m and to spherical geometries.
  • Si microlens arrays in particular are used as thermographic systems. Microlens systems with transparency in the spectral A range above 8.5 ⁇ m is required for sensors in the room temperature range and below.
  • the present invention is based on the object of specifying a method for producing micro-optical elements or a fiber end in the form of a micro-optical element, with which elements can be produced which can also be reproduced in large batches which are transparent over a larger or broadband spectral range compared to the prior art with low losses, which are not limited in their surface geometry and which are inexpensive to produce. Furthermore, the invention is concerned with advantageous uses of the micro-optical elements.
  • micro-optical elements with a spectral range from 0.4 to 30, around a crystalline or polycrystalline fiber or a Portion thereof, which is substantially absorption-free in this spectral range, which is made of a solid solution raw material, is molded.
  • crystalline or polycrystalline fibers are provided, which are then divided into individual sections before or after a shaping process step in order to produce the micro-optical elements, reproducible results can be achieved with regard to their transparency between the individual micro-optical elements produced.
  • the starting material is first transformed into a fiber and a starting material is obtained which contains non-aligned microcrystallites whose size is approximately in the range from 0.1 .mu.m to 0.5 .mu.m lie.
  • a large number of additional dislocation lines with an isotropic orientation are generated via the manufacturing process of the fiber or the fiber section or via the shaping process the small size of the microcrystallites is responsible.
  • the starting material is dynamically recrystallized on a length scale of less than 0.1 .mu.m when it is shaped into the micro-optical element.
  • the scattering of the radiation on the surface of the micro-optical element made of crystalline or polycrystalline fibers or fiber sections is therefore much smaller, which in turn means lower radiation losses and a broad spectral transparency of the micro-optical elements between 0.4 .mu.m and 30 to bring with it.
  • the following values can be achieved with the specified fibers to be used according to the method, for example from a solid AgBr-Agl solution:
  • a solid solution with a cubic crystal structure is preferably brought into the mold as the starting material.
  • Such solid solutions with a cubic crystal structure are characterized by the fact that these materials are optically isotropic, i.e. the refractive index is the same in all directions.
  • the use of solid solutions improves the mechanical properties, such as flexibility, strength or sensitivity to corrosion of the fiber, and extends the spectral transmission. For example, by increasing the concentration of AgI in a solid solution of AgBr-Agl, the transmission in the visible spectral range is improved and the UV sensitivity is reduced.
  • Fibers or fiber sections with a diameter between 50 .mu.m and 3 mm are preferably provided, depending on the dimensions of the micro-optical component to be produced.
  • the method according to the invention preferably provides fibers or fiber sections made of a single-crystalline material in the form of a solid solution with an elliptical cross section or a rectangular cross section.
  • Fiber sections with an elliptical cross section can be adapted in their cross-sectional shape to be produced to the cylindrical lens, so that the individual cylindrical lenses are produced by dividing the fibers.
  • a fiber with a rectangular or square cross-section is particularly suitable for a subsequent pressing process perpendicular to the axis of the fiber, since the fiber can be inserted flat into the pressing mold with a flat outside.
  • the in the Fiber material present, non-aligned orientation of the dislocation lines are subjected to dynamic recrystallization.
  • the crystalline material can change its shape in very small units, ie less than 0.1 ⁇ m, during the pressing process. This enables optical surfaces and reproducible properties of the micro-optical elements produced.
  • the method is preferably carried out in such a way that the fiber or the fiber section is subjected to pressure parallel or perpendicular to the axis of the fiber or the fiber section. Due to this special alignment of the fiber or the fiber section when pressurized during the pressing process, high production rates with a minimum number of work steps and low material losses as well as reproducible results can be achieved or the properties of the micro-optical elements produced in this way can still be achieved continue to be aligned.
  • the orientation of the fiber or of the fiber section, in which the fiber axis is perpendicular to the direction of the pressurization is particularly noteworthy, since in particular microlens arrays or row or field arrangements can be produced from one piece of fiber, so that the individual microlenses within the array have the same optical properties.
  • the pressurization parallel to the fiber axis is used in particular for the production of micro-optical elements at the fiber end.
  • the starting material for its deformation should be heated.
  • a temperature is preferably selected which corresponds at most to 0.8 times and at least 0.3 times the melting point of the starting material.
  • the temperature should preferably be in the range of 0.5 times the melting point of the starting material.
  • the exact temperature setting is also highly dependent on the size or diameter of the micro-optical component to be produced. For example, it was found that for deforming fiber pieces with a diameter of 2 mm, the temperature between 0.7 and 0.8 times and for deforming fibers with a very small diameter, the temperature between 0.2 and 0.3 -fold the melting point of the starting material.
  • micro-optical elements can be pressed directly onto the end of the fiber pieces as the radiation entry and / or radiation exit surface, with the suitable temperature range during the deformation of fibers the diameter 2 mm between 0.7 and 0.8 times and for the deformation of fibers with a very small diameter should be between 0.2 and 0.3 times the melting point of the starting material.
  • the compression pressure used when shaping the fiber or the fiber section should be less than the tensile strength, but greater than the deformation resistance of the fiber.
  • the maximum pressures to be used are between 20 MPa and 170 MPa.
  • the deformation resistance is about 0.21 of the tensile strength of the fiber used in the invention.
  • an ambient atmosphere is maintained during the shaping which is inert to the fiber material at the shaping temperature.
  • the pressurization should preferably be carried out in such a way that the rate of deformation of the fiber or the fiber section during the pressurization is less than 0.1 times the speed of sound in the fiber material. If such a process parameter is not adhered to, this can lead to microcracks and microgaps. In addition, larger crystallites can arise, as a result of which the light scattering in the micro-optical element is increased. If this rate of deformation is maintained, the dislocations moving under the pressure can form a microcrystalline structure similar to that of the fiber material before pressing.
  • Ti compounds, Ge and monocrystals made from A1 2 0 3 , Zr0 2 have proven to be preferred.
  • Such a mold has the advantage that it is sufficiently stable, does not react with the starting material at the process temperature or combines with it, and mechanical processing with surface roughness ⁇ 0.05 .mu.m can take place, which in turn leads to an optical quality of the microlens surface with a Roughness ⁇ 0.05.
  • the use of crystalline materials for the mold results in a surface roughness which is reduced by a factor of 3 compared to other, non-crystalline mold materials.
  • processing the starting material with a polished knife has proven to be preferred. Such processing has the advantage that defective fiber sections can be separated in one operation with the creation of the new micro-optical element.
  • the surface produced with a polished knife also achieves optical quality with a roughness of less than 0.05 ⁇ m.
  • Ti compounds, Ge and monocrystals made of A1 2 0 3 and Zr0 3 have proven to be preferred.
  • Such a knife and / or cutting tool has sufficient hardness and is inert to the starting material.
  • the starting material used to manufacture the micro-optical elements is preferably specified as follows, in particular in order to achieve the specified advantageous properties of the micro-optical elements:
  • - j AgCl in a concentration (0-1001)
  • x 2 AgBr in a concentration (0-1001)
  • x 3 AgI in a concentration (0-101) in the following combination: with x, + x 2 + x 3 - 1001.
  • a higher concentration of AgI, 101 and higher, is associated with a crystallographic transformation into a non-cubic crystal structure and the difficulty of growing a dense crystal and should therefore be avoided.
  • AgI increases the photochemical stability, in particular with regard to incident sunlight, increases the mechanical stability and reduces surface corrosion in moist air by a factor of 10, so that a small proportion of AgI is advantageous.
  • ZnSe, KRS-5, Csl, KC1, BaF 2 , A1 2 0 3 , CaF 2 , NaCl, KBr, TIBr and CsBr can also be used as preferred starting materials.
  • the starting materials specified above each have specific properties or advantages, as follows:
  • ZnSe is water-insoluble, very hard and has a relatively high refractive index of 2.43.
  • TIBr has a wide spectral range, but is not mechanically as robust as KRS-5.
  • KRS-5 is water-insoluble, toxic, has a relatively high level
  • KRS-5 Refractive index of 2.38 and a high Knoop hardness, which means it is very robust.
  • KRS-5 is used in the area of C0 2 -High- power lasers use. KRS-5 fibers allow
  • NaCl, KC1, Csl, KC1 and KBr have low transmission losses and a high water solubility. Their high melting temperature makes them particularly suitable for laser applications.
  • BaF 2 , CaF 2 , A1 2 0 3 are very hard compared to the above materials and have a refractive index of approximately 1.5.
  • the range of maximum transmission is shorter-wave than in the materials listed above. Due to their great hardness, they are used for the following lasers:
  • an anti-reflection coating is applied in a further process step to the micro-optical element removed from the mold after the pressing process.
  • Such an antireflection coating preferably consists of PbF 2 (for a wavelength of 10 .mu.m), which is applied to the beam entry and exit sides of the micro-optical element by means of a vapor deposition process.
  • the broadband, spectral transparency means that the micro-optical components, such as, for example, microlenses, or fibers with attached microlenses, are particularly suitable for beam guidance and beam focusing IR laser and FTIR spectroscopy (FTIR - Fourier Transform Infrared), where the beam guidance and focusing systems currently still consist of mirrors.
  • FTIR spectroscopy uses a broadband IR spectrum. The transmitted, reflected or absorbed sample spectrum is calculated using a Fourier transformation of the measured variable, the so-called interferogram.
  • the broadband, spectral transparency of the micro-optical elements extends the detectable temperature range below the room temperature range. Due to the small diameter of the focused radiation, the micro-optical elements can be linked particularly effectively with detector elements whose sensitive detector areas correspond approximately to the focus diameter and which therefore have a significantly higher sensitivity than large-area detector elements.
  • micro-optical elements produced by the method according to the invention is the use as optical components in an infrared spectrometer.
  • microlenses with the same radii of curvature are applied to the end of the illumination and detection fiber. Without the use of additional collection optics, all of the radiation reflected or transmitted on the sample reaches the detector.
  • micro-optical elements produced by the method according to the invention is the use as a focusing component in an IR microscope.
  • the microlenses are transparent over the entire aperture angle.
  • the microlens focus is of the order of the wavelength. Additional diaphragms delimiting the measuring spot are no longer required.
  • a microlens microscope is much smaller due to the short, optical paths. Its size is only determined by the dimensions of the positioner and detector.
  • micro-optical lattice elements, micro-Fresnel lenses or cylindrical lenses can be produced by preparing the corresponding molds.
  • micro-optical elements the surfaces of which are at a distance from one another which is greater than 0.1 times the fiber diameter, can be produced using the specified method. Since fibers are used as the starting material, micro-optical elements, the thickness of which is only limited by the maximum fiber length, can be produced on both fiber ends.
  • a preferred micro-optical element is manufactured in the form of a cylinder with two optical surfaces which extend at an angle C> arctan n, where D is the angle between the plane of the surface and the fiber axis and where the refractive index of the starting material is n.
  • This micro-optical component is particularly suitable for the reflection-free transmission of radiation polarized in the incident plane in the spectral range from 0.4 to 30 ⁇ m, in particular of infrared radiation.
  • the radiation enters the micro-optical element at an angle i 2 arctan (n) - Jt / 2 to the fiber axis and leaves the component at the same angle.
  • a micro-optical element which has at least one flat surface which intersects the axis of the fiber at an angle of 45 ° is particularly suitable for coupling diode laser radiation into a fiber end or for coupling out those deflected at the fiber end and focused over the fiber cladding Radiation. Furthermore, a micro-optical element is preferred with at least one surface which is designed as a depression, specifically for deflecting and coupling radiation into a fiber end or for coupling radiation out of the fiber end.
  • radiation from a plurality of radiation sources in particular from diode lasers, which are arranged on a circular ring, can be coupled into such an end via the surfaces of this conical depression or seen in the opposite direction of radiation , ring-shaped from such an end, are coupled out; If the surface of the conical depression is less than 45 "to the axis, the radiation is coupled out and focused along a circular ring perpendicular to the axis of the fiber.
  • such a micro-optical component can be advantageous for laser spectroscopy, since then around a cylindrical lens with such a micro-optical element at its end a geometry is shown which makes it possible to arrange different lasers of different wavelengths around the axis of the fiber (there is sufficient space for this) to emit radiation of different wavelengths into this micro-optical To couple fiber end.
  • the depression can be divided into at least two or more flat surfaces.
  • such partial areas are selected in different sizes.
  • a preferred, micro-optical component is provided by a cylindrical fiber section which has a fiber end with a cone arranged rotationally symmetrically to the optical axis of the cylindrical fiber section and / or a plurality of concentrically arranged cone rings. Such an end of the fiber can be used to totally reflect the radiation coupled in via the other end at an angle of the conical surface to the axis of 45 ° or less.
  • Another preferred area of application of the micro-optical elements produced by the method according to the invention is the use of such elements as components for micro-objectives, consisting of at least two microlenses, which should be transparent in particular over a wide spectral range.
  • Fig. 1 shows a sectional view of an example for the production of a mold for a linear arrangement of microlenses with a spherical curvature
  • Fig. 2 shows schematically in a sectional view the manufacture of a linear arrangement of biconvex microlenses with the press molds produced in Figure 1, the arrangement being shown open with an inserted fiber blank.
  • Fig. 3 shows schematically in section an arrangement for producing a spherical fiber end.
  • 4a) to 4h) show examples of different geometries of micro-optical elements and micro-optical elements at the fiber end, which can be produced, for example, with the arrangement according to FIG. 2 or 3.
  • 5a shows a schematic representation of an arrangement for determining the beam focus diameter that can be achieved with a microlens according to the invention.
  • 5b shows two spectra, which are recorded with an arrangement according to FIG. 5a with a measurement spot of 60 .mu.m (dashed) or 100 .mu.m (solid).
  • 6a shows a mirror spectrum (solid line) in comparison to a spectrum which is recorded using the microlenses produced according to the invention (dashed line).
  • FIG. 6b shows a spectrum which is recorded with a spherical microlens at the end of a 4 m long polycrystalline AgBr-Agl fiber.
  • FIG. 7 schematically shows the use of the microlens produced according to the invention in a conventional infrared mirror microscope.
  • FIG 8 shows the use of a microlens produced by the method according to the invention in fixed connection with a detector.
  • FIG. 9 shows a micro-objective in a section, which is constructed from micro-lenses according to the invention.
  • 10b shows in section an embodiment of an infrared reflection / transmission microscope using micro-optical components which are produced in accordance with the method according to the invention.
  • Fig. 11 schematically shows an example of a flexible section
  • Fig. 12 schematically shows an example of a flexible section
  • Illumination and detection optics for transmission measurements with an infrared spectrometer using crystalline or polycrystalline fibers with pressed-on micro-optical components according to the invention are provided.
  • 13a and 13b show a longitudinal and cross section through a flat, 45 ° shaped fiber end produced according to the invention for coupling in diode laser radiation.
  • 14a and 14b show a longitudinal and cross-section through a conical tip of a fiber with a half angle of 45.degree. For total reflection of radiation at the fiber end.
  • 15a and 15b show a longitudinal and cross-section through a conical tip of a fiber with an outer cone ring, which is also suitable for the total reflection of radiation at the fiber end.
  • FIG. 16 shows a longitudinal section through a micro-optical element for the reflection-free transmission of light polarized in the plane of incidence, which is incident at an angle i to the fiber axis.
  • 17a and 17b show a cross-section and a longitudinal section through a conical depression with a half-angle O - 45 °, for coupling radiation from several diode lasers into the fiber end.
  • 18a, 18b, 18c and 18d each show top views of a fiber end with a view in the direction of the fiber axis, namely divided into two, three and four flat surfaces, for coupling two, three or four diode lasers into one fiber end.
  • FIG. 19 shows the use of the fiber end from FIG. 18 as a beam splitter, specifically in a top view from the front and in a side top view.
  • a press mold which represents a negative form of the micro-optical element, for example a spherical microlens.
  • Such micro-optical elements can be created as individual elements or as linear row arrangements or surface arrangements or arrays.
  • 1 shows an arrangement for producing a press mold for four linearly arranged, spherical microlenses, the press mold produced according to FIG. 1 then being able to be used in a press arrangement as shown in FIG. 2.
  • a linear positioner 101 with a base body 102, in which a die blank 103 is held.
  • a ball bearing ball 105 carries at its end in a corresponding trough, the ball bearing ball 105 being glued into the trough of the cylindrical pin 104.
  • the diameter of the ball 105 is 2 mm.
  • the pin 104 is guided in a disk 106 made of stainless steel, which rests flat on the upper side of the die blank 103 or on a support surface 107 of the base body 102.
  • Both the pin 104 and the washer 106 are guided in a carrier 108 which is guided horizontally between a spring element 109 on one side and a micro-positioning screw 110 on the other side.
  • the micro-positioning screw 110 is used to polish the pin 104 with the ball 105 over the press blank, which consists, for example, of crystalline ZrO 2 , by the pin 104 using a suitable drive about its axis and thus the Ball 105 is rotated.
  • the stainless steel disc 106 serves as a guide for the pin 104 and the ball 105. Diamond paste with a grain size of 25 ⁇ m to 0.15 ⁇ m is used as the polishing agent.
  • a cylindrical ring 112 which is placed on the pin 104 and set back from the end of the pin 104 or the end of the ball 105, serves as a depth stop for the penetration of the ball 105 into the die blank 103.
  • This stop can be achieved by suitable means , setting means, not shown, can be moved in the axial direction of the pin 104 and the depth of insertion of the ball 105 into the blank 103 can thus be reproduced - 19 -
  • the carrier 108 is moved in the X direction via the micro positioning screw 110, as is indicated by the arrow in FIG. 1, against the counterpressure of the spring element 109, in order to then introduce a further depression into the blank 103 following the depression 111, as is shown in FIG. 1.
  • a further depression into the blank 103 following the depression 111 as is shown in FIG. 1.
  • four such spherical depressions 111 can be formed in a linear arrangement in the illustrated die blank 103, as shown in FIG. 2. According to the illustration in FIG.
  • a further positioning device can be provided in order to move the carrier 108 together with the pin 104 and the ball 105 in the Y direction, in order to arrange an array or a field arrangement of spherical depressions 111 form.
  • a further positioning device can be provided in order to move the carrier 108 together with the pin 104 and the ball 105 in the Y direction, in order to arrange an array or a field arrangement of spherical depressions 111 form.
  • the surface roughness can be reduced to less than 0.1 .mu.m with the diamond paste as the grain size decreases during grinding.
  • the diameter of the spherical depression can be 1 mm, for example.
  • Adjacent depressions 111 can be arranged with their edge areas at a distance of 0.2 mm from one another. Microlens arrays with 10 x 10 microlenses can be produced with the arrangement according to FIG. 1 without any problems.
  • Press molds which are produced from the press mold blanks 103 of FIG. 1 are then inserted into a press arrangement 201, as is shown in FIG. 2.
  • a press mold 202 and 203 is inserted into a holder 204 and 205, which are positioned opposite one another.
  • Each bracket 204, 205 is equipped with integrated heaters 206 and 207.
  • One or more thermocouples measure the temperature of the press molds 202, 203.
  • the AgBr-Agl fiber 208 has an AgI content of 51.
  • the two brackets 204, 205 are heated via the heating device 206, 207 and the molds 202, 203 are moved toward one another, for which purpose the upper mold is held on a piston 210.
  • stops 211 are provided on the piston 210, while the lower holder 204 is held by a height-adjustable frame 212.
  • a positioning sensor 213 is provided on the piston 210.
  • the pressing pressure for the fiber with the arrangement shown in Fig. 2 is about 80 MPa; the rate of deformation during the pressurization is less than 1 mm / s.
  • the pressing process is carried out in a nitrogen-filled atmosphere within the housing 209 of the pressing arrangement 201.
  • the pressed and separated from the fiber 208 fiber sections 214 are then transported in the direction of arrow 218 after opening the holder 204 and 205 and then the end of the fiber 208 is advanced in the direction of arrow 218 to the next fiber section between the dies 202, 203th bring to.
  • the respective length of the fiber sections is approximately 6 mm in the embodiment shown.
  • a press assembly 301 is shown to form a spherical fiber end on the end of a fiber 302.
  • the press arrangement corresponds essentially to the structure of the press arrangement 201 of FIG. 2 in Reference to the upper bracket 303, the mold 304, the heating device 305 in the bracket 303, the piston 306 on which the bracket 303 is guided, the stops 307 and the positioning sensor 308.
  • a sleeve-shaped guide 309 is arranged on the housing 310 in the arrangement of FIG. 3, in which a fiber 311 is guided.
  • the fiber 311 in this embodiment has a diameter of 1 mm and is made of AgBr-Agl as a solid solution with an iodine content of 51.
  • the compression mold 304 has a single, spherical depression 312, which is introduced into the compression mold 304, for example, with an arrangement as shown in FIG. 1.
  • the fiber end of the fiber 311 is protruding over the end of the sleeve-shaped guide 309.
  • the holder 303 is heated to about 200 ° C. by means of the heating device 305 and then the piston 306 is moved downward onto the end of the fiber 311.
  • the spherical recess 312 is pressed onto the fiber end with a pressing pressure of approximately 80 MPa, then the piston 306 is moved up again and the fiber is pulled out of the sleeve-shaped guide 309.
  • FIGS. 4a to 4h show various micro-optical elements which can be produced as individual, micro-optical elements or which can be pressed onto a fiber end, with arrangements as shown in FIGS. 2 and 3 and described above.
  • the diameters and radii of curvature of the microlenses shown in FIGS. 4a and 4b are 0.5 mm, while the individual microlens of the microlens array shown in FIG. 4c have a diameter of 0.35 mm with a radius of curvature of 0.25 mm.
  • 4d shows a micro Fresnel lens produced by the method according to the invention, which has a convexly curved surface on the opposite side.
  • the lens of FIG. 4e has a flat lens surface opposite the micro grating.
  • spectral transparency of the starting material used according to the invention in the form of a crystalline one or polycrystalline fiber or a fiber section of a fiber with a spectral passband from 0.4 .mu.m to 30 .mu.m, which are made from a starting material of a solid solution there is a wide range of possible uses of the microlenses and micro grids or the fibers of FIG 4f, 4g and 4h with differently shaped fiber ends, both in the visible and in the infrared spectral range.
  • 4f to 4h are particularly suitable for flexible focusing optics and are used in particular in laser medicine, laser material processing and spectroscopy.
  • the diameter of the focused radiation can be reduced by a factor of 1.8 compared to the spherical fiber end, as shown in FIG. 4f.
  • the microlens 501 which is a microlens with a spherical beam entry surface and a flat beam exit surface, is illuminated with a parallel beam 502.
  • the focus of the microlens 501 is determined via the two Cassegrain mirror optics 503, 504 with the aid of the adjusting optics 505 and a field diaphragm 506 in the beam path between the two mirror optics 503 and 504 and a positioner 507 on which the microlens 501 in the X -, Y- and Z-direction is kept adjustable, is mapped to an MCT detector element 508 (MCT: Hg, Cd, Te are the elements that make up the detector element).
  • FIG. 5 b shows two spectra, which are recorded with the arrangement according to FIG. 5 a, namely the intensity as a function of the wavelength that is transmitted through the microlens 501.
  • the spectrum plotted in a solid line represents a measurement spot on the detector element 508 with a diameter of 100 .mu.m, while the spectrum plotted with a broken line represents a measurement spot on the Detector element 508 with a diameter of 60 ⁇ m shows.
  • a comparison of these two spectra shows that more than 951 of the focused intensity lie within a recorded area with a diameter of 60 .mu.m.
  • these spectra show that the microlens has good transparency in the wavelength range between 2 and 18 ⁇ m.
  • FIG. 6a a spectrum that is recorded with a microlens according to the invention (dashed curve) is compared with a spectrum that is recorded without a microlens according to the invention (solid curve). Both spectra were measured with a structure as shown in Fig. 5a. Analogous to the spectrum that was taken without a microlens, the microlens spectrum shows no scatter losses in the short-wave range. This is an indication of a very fine, microcrystalline structure of the starting material and of the optical quality of the surfaces of the microlens which are achieved with the material used according to the invention or with the manufacturing method according to the invention. In addition, the absence of additional absorption bands in the spectrum is typical of the crystalline IR fiber, which is produced from a starting material in the form of a solid solution, specifically for the production of micro-optical elements.
  • FIG. 6b shows the transmission spectrum of a 4 m long, polycrystalline AgBrI fiber with a spherical fiber end, as produced, for example, with the arrangement in FIG. 3 and shown in FIG. 4f.
  • the broad, absorption-free, spectral transparency of the fiber in the range from 4 to 18 .mu.m enables applications, in particular in spectroscopy, which are otherwise restricted with conventional glass fibers in that the absorption-free spectral range is considerably narrower and only little spectral information is available stands.
  • the spherical end which is pressed directly onto the fiber, replaces focusing optics, reduces radiation losses at transition areas between a fiber end and a lens optic, and thereby makes the fiber much more flexible.
  • FIG. 7 schematically shows the use of the microlens produced according to the invention in the project plane of a conventional mirror microscope.
  • a spherical microlens 701 is used to improve the spatial resolution. Because of the large wavelengths (up to 20 .mu.m), diffraction effects are very noticeable in IR microscopy. They can lead to misinterpretation of the measurement results as well as to strong, spectrally dependent loss of intensity.
  • the microlens 71 as a continuous lens, with a diameter and a radius of curvature of 0.5 mm and a thickness of 0.75 mm, introduces the strongly diffracted beams 702 into the objective 703. It reduces the spectrally dependent intensity losses due to the high refractive index of the lens material (n - 2.2) and improves the diffraction-related resolution by a factor of n.
  • the microlens 801 is attached to a detector contact 804 by means of an adhesive intermediate layer 803. Due to the broad spectral transparency of the immersion microlens 801 produced according to the invention, the signal-to-noise ratio of an HgCdTe detector element 805, which is arranged on a carrier body 806, is improved, which in turn shortens measurement times and improves the IR microspectroscopy, for example Spatial resolution enables.
  • FIG. 9 shows a further possibility of using a combined microlens arrangement in the form of a micro objective 901, which consists of a biconvex lens 902 and a meniscus lens 903, which are held at their edge in a carrier structure 904.
  • This lens combination reduces the focus diameter of a single, flat convex lens by a factor of 1.7.
  • this objective can be used both in the visible spectral range and in the infrared spectral range, for which it is transparent.
  • 10a, 10b, 11 and 12 show further possible uses for the use of microlenses which are produced with the corresponding materials by the method according to the invention and which are permeable in a spectral range from 0.4 to 30 .mu.m .
  • FIG. 10a shows an embodiment of an infrared emission microscope.
  • a microelectronic component 1001 based on silicon is examined as sample 1001. Because of the transparency of the microlenses produced according to the invention, in particular in the long-wave spectral range (up to 30 .mu.m), very small, local temperature increases can be detected.
  • the desired measuring spot is selected on the sample 1001 using microscope optics.
  • the sample 1001 is then pivoted into the focus of the microlens system 1003 on a heatable, XYZ positioner 1002.
  • the microlens system 1003 consists of four identical, spherical microlenses with a radius of curvature and a diameter of 1 mm and a thickness of 0.35 mm.
  • the desired spot size is set via a field aperture 1004.
  • the measurement is carried out by heating the sample 1001 via the XYZ positioner 1002 and scanning the set measurement spot. So that the emitted IR radiation can be detected with sufficient sensitivity by a nitrogen-cooled HgCdTe detector element 1005, it is modulated with a chopper 1006. If thicker microlenses are used in such an arrangement, a better spatial resolution is achieved due to the higher numerical aperture. At the same time, however, the distance to the sample is reduced. The highest resolution is provided by an arrangement in which the microlens sits directly on the sample.
  • FIG. 10b shows the structure of a reflection / transmission IR microscope. This arrangement can be used to determine the optical properties such as reflection, transmission and absorption of samples 1001 with an inhomogeneity on the scale of a few micrometers, for which purpose either a reflection element 1007 or a transmission element 1008 is used.
  • the sample 1001 is in turn, according to FIG. 10a, on an XYZ positioner 1002.
  • the desired measurement spot on the sample 1001 is selected with a microscope.
  • the sample 1001 is pivoted into the microlens system 1003 and readjusted in the vertical direction to the maximum intensity at a detector element 1005 using the IR interfering radiation coupled in via reflection beam 1007 via a beam splitter 1009.
  • the desired measuring range is scanned and a reflection and / or transmission spectrum is recorded in every position.
  • no diaphragms are required to limit the measuring spot.
  • the number of optical components is limited to three microlenses and a beam splitter 1009, as can be seen in FIG. 10b.
  • the size of the IR microlens microscope is only determined by the dimension of the positioner 1002 or the nitrogen-cooled detector 1005. This and the high numerical aperture improve the light conductance.
  • the high light conductance and the sensitivity of the detector element 1005, which is adapted to the size of the measurement spot, enable the microlens microscope to be operated with a parallel beam 1007, 1008.
  • Figures 11 and 12 show lighting and detection optics for flexible reflection measurements (Fig. 11) and transmission measurements (Fig. 12) in an infrared spectrometer. These arrangements enable infrared spectroscopic and infrared microscopic examinations in environments in which conventional beam guidance systems cannot be used due to the size of their sensitive optics.
  • the parallel IR interferometer beam 1101 is coupled into the illumination fiber 1103 (diameter 0.7 mm) via a plano-convex lens 1102 with an aperture angle of 20 ° and with a spherical or aspherical fiber end 1104 focused on the sample 1105.
  • the reflected light is detected by a detection fiber 1106, onto which a micro-optical coupling element 1107 with an arrangement corresponding to FIG. 3 is also pressed, and on a detector element 1108 on the other end of the detection fiber 1106 bundled.
  • the opening angle with which the sample is illuminated and the reflected light is collected can be set via the curvature of the fiber end 1104 or the corresponding pressed-on micro-optical element.
  • the aperture angle is, for example, 60 ° and the focus diameter is 40 ⁇ m. If fibers with a smaller diameter are used, the focus diameter can be reduced further.
  • the combination of an illumination fiber 1103 with a small diameter (for example 0.3 mm) and a detection fiber 1106 with a larger diameter (for example 1 mm) is to be regarded as preferred.
  • the large detection fiber 1106 collects a larger proportion of the radiation diffracted at the sample 1105, whereby a higher resolution is obtained.
  • the focus diameter is then 500 ⁇ m.
  • the interferometer beam 1101 is coupled into an illumination fiber 1103 via a plano-convex lens 1102 and focused on the sample 1105.
  • the sample is illuminated and the transmitted light is tapped via a detection fiber 1106 and fed to the detector element 1108.
  • the fiber ends 1104 and 1107 in the form of micro-optical elements are pressed directly onto the ends of the fibers 1103 and 1106.
  • 13 to 18 show further micro-optical components which are molded onto the end of a fiber.
  • 13a and 13b show the coupling of radiation 1303, which emanates from a laser diode 1304, into the end 1305 of a fiber 1302, the fiber axis being indicated by the reference symbol 1301 in the top view of FIG. 13a and the longitudinal sectional view of FIG. 13b is.
  • the fiber end 1305 or the coupling surface is cut at an angle ⁇ % of 45 ° to the fiber axis 1301.
  • the length and the thickness of the active laser layer of the laser diode 1304 is 200 ⁇ m in one direction and 1 ⁇ m in the direction perpendicular thereto.
  • the cylindrical surface of the fiber 1302 and the fiber end 1305 cut at 45 ° transform the divergent laser radiation into almost parallel light within the fiber 1302.
  • a fiber end 1305 shaped in this way prevents the feedback of reflected light into the active layer of the laser diode 1304; such feedback would otherwise destroy the mode and frequency of the light emitted.
  • the broad, permeable spectral range of the fiber 1302 produced according to the invention is also advantageous in this application.
  • FIGS. 14a and 14b show a similar application to FIGS. 13a and 13b with a top view of the fiber end 1405 and a sectional view through the fiber 1402 along the fiber axis 1401.
  • the fiber end 1405 is designed in the form of a conical tip, like the sectional view 14b shows. If the half opening angle of the conical fiber end 1405 is less than or equal to L-3174, a micro-optical element shaped in this way can be used as the totally reflecting fiber end 1405, as indicated by the beam path 1403 in FIG. 14b.
  • Such an optical element would be suitable, for example, for extending the optical path in ATR fiber sensors (ATR - Attenated Total Reflection - attenuated total reflection).
  • a multiple arrangement of concentric cone rings is shown in FIGS.
  • a micro-optical fiber element 1602 is cut at its fiber end 1605 at an angle 00 to the fiber axis 1601 both on the input side and on the output side of the radiation 1603.
  • Radiation 1603 polarized in the plane of incidence is incident on the oblique fiber end 1605 at an angle i-2 arctan n-3T / 2 to the fiber axis 1601, the fiber end 1605 being incident at an angle of k% arctan n to the fiber axis 1601 ⁇ is cut.
  • the light polarized in the plane of incidence is coupled into and out of the fiber 1602 without reflection.
  • a broadband, spectral passband i.e. a pass range between 0.4 to 30 .mu.m is required.
  • 17a and 17b show an arrangement for the simultaneous coupling of radiation 1703 which is emitted by a plurality of laser diodes 1704 which are arranged radially to the axis 1701 of a fiber 1702.
  • the fiber end 1705 of the fiber 1702 has a conical recess or depression, which is shown with an opening angle A of 45 ° to the fiber axis 1701.
  • the individual laser diodes 1704 can emit radiation 1703 with different wavelengths, which are coupled into the interior of the fiber 1702 via the totally reflecting fiber end 1705.
  • the strongly diverging radiation from the laser diodes 1704 runs almost parallel in the fiber 1702, owing to the deformation on the cylindrical fiber surface, as indicated schematically by the rays 1703 in the interior of the fiber 1702.
  • 18a to 18b show various radiation-dividing, plane fiber ends 1805, similar to the embodiment of FIGS. 17a and 17b, into which the radiation 1803 of individual laser diodes 1804 are coupled.
  • fiber ends shaped in this way can also be used as beam splitters.
  • 18d represents a beam splitter with unevenly divided, coupled out radiation intensities. The coupling out of spectral broadband radiation on detectors with different levels of sensitivity is a further possible application of the fiber ends shown in FIGS. 18a to 18d.
  • FIG. 19 shows the coupling of two fibers 1901 and 1902 to a fiber end 1903 of a fiber 1902.
  • the two-part depression 1904 which runs symmetrically to the fiber axis 1905, serves as a respective reflecting surface in order to couple the radiation 1906 into the respective fibers 1901 and 1902.

Abstract

The invention concerns a process for producing micro-optical elements or a fibre end in the form of a micro-optical element, a base material being shaped to form the required micro-optical element. As a process by which elements can be produced and reproduced in larger batches, are transparent with low loss levels over a greater (i.e. wider band) spectral range than prior art elements, are not restricted in their possible surface geometry and are inexpensive to manufacture, a crystalline or polycrystalline fibre or section thereof which is substantially absorption-free in the spectral range 0.4 - 30 νm and is produced from a base material of a solid solution, is shaped to produce micro-optical elements with that spectral range. The invention also concerns advantageous uses and applications of the disclosed micro-optical elements.

Description

P a t e n t a n m e l d ü n g P a t e n t a n m e l d n n
"Verfahren zur Herstellung von mikrooptischen Elementen oder eines Faserendes in Form eines mikrooptischen Elements und Verwendung solcher Elemente""Process for the production of micro-optical elements or a fiber end in the form of a micro-optical element and use of such elements"
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von mikro¬ optischen Elementen oder eines Faserendes in Form eines mikrooptischen Elements, wobei ein Ausgangsmaterial in eine Form des mikrooptischen Ele¬ ment gebracht wird. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung solcher Elemente.The present invention relates to methods for producing micro-optical elements or a fiber end in the form of a micro-optical element, a starting material being brought into a shape of the micro-optical element. The invention further relates to the use of such elements.
Ein Verfahren der vorstehend beschriebenen Art ist in der EP-AI 0567896 angegeben. Diese Patentanmeldung beschreibt unter anderem das Herstellen eines mikrooptischen Elements, wobei zunächst ein Träger aus einem Keramik-Metall -Verbundwerkstoff bereitgestellt wird, auf dessen einer Seite eine Schicht aufgebracht wird, die eine zu der einen Hälfte der herzustellenden Linse negative Form aufweist. Diese Schicht wird dann auf ihrer Oberseite mit verschiedenen Legierungsschichten und mit einer ab¬ schließenden Schutzschicht überzogen, die die Eigenschaft haben soll, sich nicht mit Glas zu verbinden. Entsprechend der herzustellenden Mi- krolinse, beispielsweise eine Fresnellinse, kann eine zweite, negative Preßformhälfte hergestellt werden, die zur Bildung der anderen Hälfte der Linse dient. Diese beiden Formen werden dann in eine Preßanordnung einge¬ spannt. In die Preßform wird eine dünne Glasplatte eingelegt, dann die Glasplatte oberhalb deren Erweichungstemperatur aufgeheizt und unter Druck die Preßformhälften aufeinanderzubewegt, so daß das Glas den Hohl¬ raum der Preßform ausfüllt. Nach dem Abkühlen wird die Glaslinse aus der Form herausgenommen. Ein wesentliches Problem, das diese Druckschrift behandelt, ist die Vermeidung des Anhaftens des Glases in der Preßform, wozu verschiedene Zwischenund Schutzschichten auf die Formen jeweils auf¬ gebracht werden. Diese Schutzschichten sind beispielsweise aus einer Le¬ gierung der Platingruppe hergestellt. Durch das Aufbringen der Schutz¬ schichten ist das Verfahren aufwendig, darüberhinaus kann nicht vermieden werden, daß sich dennoch das Material der Schutzschicht mit dem Linsen¬ material verbindet bzw. an der gepreßten Linse anhaftet. Als Ausgangs¬ material werden Gläser eingesetzt. Ihre Transparenz ist auf einen engeren Spektralbereich beschränkt als die Transparenz kristalliner Materialien. Weiterhin haben im fernen Infraroten transparente Gläser eine sehr niedrige Aufweichtemperatur und kristallisieren sehr leicht bei Erwärmung durch z.B. Laserstrahlung, was ihre optische Transparenz zerstört. Z.B. Ge-0As50Te40-Glas ist transparent im Spektralbereich 1,6/25/Um und hat eine Einfriertemperatur von lediglich 170βC (siehe: E. Hartouni; F. Huldermann and T.Guiton, SPIE Proceedings 505 (1984), Seiten 131-140). Kristallines Csl ist dagegen im Spektralbereich 0,25...80,um transpa¬ rent und hat einen Schmelzpunkt von 62TC (siehe: A.L. Gentile, M. Braun¬ stein, D.A. Pinnow, J.A. Harrongton "Infrared Fiber Optical Materials" in Fiber Optics: Advances in Research and Development, ed. by B. Bendow and S.S. Mitra, Plemun Publishing, NY (1979) Seiten 105-108).A method of the type described above is specified in EP-AI 0567896. This patent application describes, inter alia, the production of a micro-optical element, wherein a carrier made of a ceramic-metal composite material is first provided, on one side of which a layer is applied which has a negative shape with respect to one half of the lens to be produced. This layer is then coated on its upper side with various alloy layers and with a final protective layer, which is said to have the property not to bond with glass. According to the microlens to be manufactured, for example a Fresnel lens, a second, negative one Mold half are made, which is used to form the other half of the lens. These two forms are then clamped in a press arrangement. A thin glass plate is inserted into the mold, then the glass plate is heated above its softening temperature and the pressure mold halves are moved toward one another under pressure, so that the glass fills the cavity of the mold. After cooling, the glass lens is removed from the mold. An essential problem that this document deals with is the avoidance of the glass sticking to the press mold, for which purpose various intermediate and protective layers are applied to the molds in each case. These protective layers are made, for example, from an alloy of the platinum group. By applying the protective layers, the method is complex, moreover it cannot be avoided that the material of the protective layer nevertheless connects to the lens material or adheres to the pressed lens. Glasses are used as the starting material. Their transparency is restricted to a narrower spectral range than the transparency of crystalline materials. Furthermore, transparent glasses in the far infrared have a very low softening temperature and crystallize very easily when heated by, for example, laser radiation, which destroys their optical transparency. Eg Ge 0 As 50 Te 40 glass is transparent in the spectral range 1.6 / 25 / Um and has a freezing temperature of only 170 β C (see: E. Hartouni; F. Huldermann and T. Guiton, SPIE Proceedings 505 (1984 ), Pages 131-140). Crystalline Csl, on the other hand, is transparent in the spectral range 0.25 ... 80 µm and has a melting point of 62TC (see: AL Gentile, M. Braunstein, DA Pinnow, JA Harrongton "Infrared Fiber Optical Materials" in Fiber Optics : Advances in Research and Development, ed. By B. Bendow and SS Mitra, Plemun Publishing, NY (1979) pages 105-108).
Weiterhin ist in der US-PS 5,080,706 ein Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Mi rolinsen mit elliptischer oder hyperbolischer Quer¬ schnittsform beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird zunächst eine Glas¬ vorform angefertigt, die in ihren Querschnittskonturen der Querschnitts¬ kontur der herzustellenden Mikrolinse entspricht. Diese Vorform wird dann solange beheizt, bis sie viskos wird. Von dieser Vorform werden dann dünne Fasern abgezogen, wobei die Querschnittsform der abgezogenen Fasern direkt zu der Querschnittsform der Vorform korreliert. Die abgezogene Faser wird dann in einzelne, zylindrische Mikrolinsen unterteilt. Als Material für die Linsen soll ein solches eingesetzt werden, das eine aus¬ reichende Viskosität besitzt, so daß von der Vorform die Faser mit ver¬ kleinertem, kongruentem Querschnitt abgezogen werden kann. Weitere Aus¬ sagen über das Ausgangsmaterial, das zur Herstellung dieser Linse einge¬ setzt werden soll, sind nicht angegeben. Es sind durch das Abziehen von der Vorform ausschließlich einzelne Zylinderlinsen herstellbar. Weiterhin sind Mikrolinsen, die aus gezogenen Glasfasern durch deren Unterteilen in einzelne Abschnitte unmittelbar hergestellt werden, gegenüber kristal¬ linen Fasern in ihrer Strahlungstransparenz stark eingeschränkt.Furthermore, US Pat. No. 5,080,706 describes a method for producing cylindrical microlenses with an elliptical or hyperbolic cross-sectional shape. According to this method, a glass preform is first produced, the cross-sectional contours of which correspond to the cross-sectional contour of the microlens to be produced. This preform is then heated until it becomes viscous. Then from this preform stripped thin fibers, the cross-sectional shape of the stripped fibers correlating directly to the cross-sectional shape of the preform. The drawn fiber is then divided into individual, cylindrical microlenses. The material used for the lenses is one which has a sufficient viscosity so that the fiber with a reduced, congruent cross section can be removed from the preform. No further statements are made about the starting material to be used for the production of this lens. By pulling off the preform, only individual cylindrical lenses can be produced. Furthermore, microlenses which are produced directly from drawn glass fibers by dividing them into individual sections are severely restricted in their radiation transparency compared to crystalline fibers.
Allgemein sind auf dem Markt unterschiedliche kristalline, im Infraroten transparente Linsen, Prismen, Fenster, usw. erhältlich. Diese optischen Bauelemente sind aus Materialien wie ZnSe, ZnS, Al-O-,, CdTe, Si, BaF2, KRS-6, KRS-5, Csl, AgCl, AgBr, NaCl, NaI, KCL, KBr, CsCl, KI und CsBr in Form von Platten oder Blöcken hergestellt. Solche Materialien werden beispielsweise durch die Produktinformation "Precision Optical Co ponents" der L.O.T. GmbH angeboten. Aus den vorstehenden Materialien sind plankonvexe, bikonvexe bzw. bikonkave, plankonkave und Meniskus¬ linsen mit Durchmessern im Bereich von minimal 10 mm erhältlich.In general, various crystalline lenses, prisms, windows, etc. that are transparent in the infrared are available on the market. These optical components are made of materials such as ZnSe, ZnS, Al-O- ,, CdTe, Si, BaF 2 , KRS-6, KRS-5, Csl, AgCl, AgBr, NaCl, NaI, KCL, KBr, CsCl, KI and CsBr made in the form of plates or blocks. Such materials are offered, for example, by the product information "Precision Optical Components" from LOT GmbH. Plano-convex, biconvex or biconcave, plano-concave and meniscus lenses with diameters in the range of at least 10 mm are available from the above materials.
Es hat sich gezeigt, daß mit kleiner werdendem Durchmesser die reprodu¬ zierbare Qualität der bekannten Linsen stark abnimmt.It has been shown that the reproducible quality of the known lenses decreases sharply as the diameter becomes smaller.
Weiterhin haben sich in den letzten Jahren auch Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen auf Siund S^-Basis duchgesetzt, bei denen Ätz-Tech- niken oder fotolitographische Techniken eingesetzt werden. Die Trans¬ parenz dieser Linsen aus kristallinem Si02-Quarz ist auf den engen Spektralbereich von 0,15 bis 4^um und für reines Si auf den engen Spektralbereich von etwa 1,2 bis 8,5,um und auf sphärische Geometrien beschränkt. Insbesondere Si-Mikrolinsen-Arrays finden als thermografische Systeme Anwendung. Mikrolinsensysteme mit einer Transparenz im Spektral- bereich oberhalb von 8,5 Um sind erforderlich für Sensoren im Raum¬ temperaturbereich und darunter.Furthermore, processes for the production of microlenses based on Si and S ^ have also become established in recent years, in which etching techniques or photolithographic techniques are used. The transparency of these lenses made of crystalline SiO 2 quartz is limited to the narrow spectral range from 0.15 to 4 µm and for pure Si to the narrow spectral range from approximately 1.2 to 8.5 µm and to spherical geometries. Si microlens arrays in particular are used as thermographic systems. Microlens systems with transparency in the spectral A range above 8.5 µm is required for sensors in the room temperature range and below.
Ausgehend von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik liegt der vor¬ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von mikrooptischen Elementen oder eines Faserendes in Form eines mikro¬ optischen Elements anzugeben, mit dem Elemente herstellbar sind, die auch in größeren Chargen reproduzierbar sind, die über einen im Vergleich zum Stand der Technik größeren bzw. breitbandigeren Spektralbereich mit geringen Verlusten transparent sind, die in ihrer Oberflächengeometrie nicht beschränkt und die kostengünstig herstellbar sind. Weiterhin befaßt sich die Erfindung mit vorteilhaften Verwendungen bzw. Anwendungen der mikrooptischen Elemente.On the basis of the prior art specified above, the present invention is based on the object of specifying a method for producing micro-optical elements or a fiber end in the form of a micro-optical element, with which elements can be produced which can also be reproduced in large batches which are transparent over a larger or broadband spectral range compared to the prior art with low losses, which are not limited in their surface geometry and which are inexpensive to produce. Furthermore, the invention is concerned with advantageous uses of the micro-optical elements.
Die vorstehenden Aufgabenpunkte werden nach dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren, ausgehend von dem eingangs angegebenen Stand der Technik, dadurch gelöst, daß für die Herstellung von mikrooptischen Elementen mit einem Spektralbereich von 0,4 bis 30 ,um eine kristalline oder polykristal¬ line Faser oder ein Abschnitt von dieser, die im wesentlichen in diesem Spektralbereich absorptionsfrei ist, die aus einem Ausgangsmaterial einer festen Lösung hergestellt ist, in die Form gebracht wird. Dadurch, daß verfahrensgemäß kristalline oder polykristalline Fasern bereitgestellt werden, die dann, zum Herstellen der mikrooptischen Elemente, in einzelne Abschnitte vor oder nach einem Formgebungsverfahrensschritt unterteilt werden, können zwischen den einzelnen, hergestellten mikrooptischen Ele¬ menten hinsichtlich ihrer Transparenz reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden. Dies findet seinen Grund insbesondere darin, daß durch die Um¬ formung des Ausgangsmaterials zunächst zu einer Faser, ein Ausgangs¬ material erhalten wird, das nicht ausgerichtete Mikrokristallite enthält, deren Größe etwa im Bereich von 0,1 ,um bis 0,5 ^um liegen. Im Gegen¬ satz zu kristallinem oder polykristallinem Material in Form von Blöcken oder Platten, wird über das Herstellungsverfahren der Faser oder des Fa¬ serabschnitts bzw. über den Verformungsvorgang eine hohe Anzahl von zu¬ sätzlichen Versetzungslinien mit isotroper Orientierung erzeugt, die für die geringe Größe der Mikrokristallite verantwortlich ist. Durch die sehr feine Mikrokristallitstruktur mit einer großen Anzahl an isotrop ver¬ teilten Versetzungslinien in der Faser bzw. dem Faserabschnitt findet bei der Formgebung zum mikrooptischen Element eine dynamische Rekristalli¬ sation des Ausgangsmaterials auf einer Längenskala von kleiner al 0,1 ,um statt. Dadurch werden reproduzierbare, optische Oberflächen erzielt, deren Rauhigkeit im Vergleich zu Oberflächen, die mit dem gleichen Formgebungsprozeß an block- oder plattenförmige Ausgangs¬ material hergestellt werden, um eine bis zwei Größenordnungen geringer ist. Die Streuung der Strahlung an der Oberfläche des aus kristallinen oder polykristall nen Fasern bzw. Faserabschnitten hergestellten, mikro¬ optischen Elementes ist daher viel kleiner, was wiederum geringere Strah¬ lungsverluste und eine breite spektrale Transparenz der mikrooptischen Elemente zwischen 0,4 .um und 30 ,um mit sich bringt.The above objects are achieved according to the method of the invention, starting from the prior art specified at the outset, in that for the production of micro-optical elements with a spectral range from 0.4 to 30, around a crystalline or polycrystalline fiber or a Portion thereof, which is substantially absorption-free in this spectral range, which is made of a solid solution raw material, is molded. The fact that, according to the method, crystalline or polycrystalline fibers are provided, which are then divided into individual sections before or after a shaping process step in order to produce the micro-optical elements, reproducible results can be achieved with regard to their transparency between the individual micro-optical elements produced. This is due in particular to the fact that the starting material is first transformed into a fiber and a starting material is obtained which contains non-aligned microcrystallites whose size is approximately in the range from 0.1 .mu.m to 0.5 .mu.m lie. In contrast to crystalline or polycrystalline material in the form of blocks or plates, a large number of additional dislocation lines with an isotropic orientation are generated via the manufacturing process of the fiber or the fiber section or via the shaping process the small size of the microcrystallites is responsible. Due to the very fine microcrystallite structure with a large number of isotropically distributed dislocation lines in the fiber or the fiber section, the starting material is dynamically recrystallized on a length scale of less than 0.1 .mu.m when it is shaped into the micro-optical element. This results in reproducible, optical surfaces whose roughness is one to two orders of magnitude lower than surfaces which are produced with the same shaping process on block or plate-shaped starting material. The scattering of the radiation on the surface of the micro-optical element made of crystalline or polycrystalline fibers or fiber sections is therefore much smaller, which in turn means lower radiation losses and a broad spectral transparency of the micro-optical elements between 0.4 .mu.m and 30 to bring with it.
Dadurch, daß reproduzierbare Ergebnisse bei den einzelnen, hergestellten Mikrolinsen, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, erzielt werden können, kann hohen Qualitätsanforderungen nachge¬ kommen werden, so daß beispielsweise Endkontrollen im Rahmen einer Qua¬ litätssicherung nicht notwendig sind, die ansonsten erforderlich wären, um Linsen, die nicht die vorgegebene Spezifikation erfüllen, auszu¬ sortieren. Weiterhin können dadurch, daß Fasern als Ausgangsmaterial zur Herstellung von mikrooptischen Elementen bereitgestellt werden, ver¬ fahrenstechnische Vorteile wie z.B. eine hohe Produktsionsrate, sowie geringere MaterialVerluste und wenige Arbeitsschritte erzielt werden. Weiterhin ist das verfahrensgemäß eingesetzte Material dazu geeignet, sowohl im Preßverfahren als auch spanabhebend bearbeitet zu werden.The fact that reproducible results can be achieved with the individual microlenses produced, which are produced in accordance with the method according to the invention, makes it possible to meet high quality requirements, so that, for example, final checks are not necessary as part of a quality assurance which would otherwise be necessary to sort out lenses that do not meet the specified specification. Furthermore, by providing fibers as the starting material for the production of micro-optical elements, process engineering advantages such as e.g. a high production rate, lower material losses and fewer work steps can be achieved. Furthermore, the material used in the process is suitable for being processed both in the pressing process and in machining.
Beispielsweise können mit den angegebenen, verfahrensgemäß einzusetzenden Fasern, beispielsweise aus einer festen AgBr-Agl-Lösung, folgende Werte erzielt werden:For example, the following values can be achieved with the specified fibers to be used according to the method, for example from a solid AgBr-Agl solution:
Spektraler Durchlaßbereich einer Faser mit dem Durchmesser 0,7 mm und der Länge 4 m: 3 - 30 »um Spektraler Durchlaßbereich eines Faserabschnitts mit dem Durchmesser 0,7 mm und der Länge 5 cm: 0,4 - 30 .um Dämpfung bei 10,6 .um: 0,1 - 0,5 dB/m Dämpfung bei 5 - 6 .um: < 0,7 dB/mSpectral pass band of a fiber with a diameter of 0.7 mm and a length of 4 m: 3 - 30 »um Spectral pass band of a fiber section with a diameter of 0.7 mm and a length of 5 cm: 0.4 - 30 µm attenuation at 10.6 µm: 0.1 - 0.5 dB / m attenuation at 5-6 µm: <0.7 dB / m
Bevorzugt wird als Ausgangsmaterial eine feste Lösung mit kubischer KristallStruktur in die Form gebracht. Solche festen Lösungen mit ku¬ bischer KristallStruktur zeichnen sich dadurch aus, daß diese Materialien optisch isotrop sind, d.h. der Brechungsindex ist in allen Richtungen gleich.A solid solution with a cubic crystal structure is preferably brought into the mold as the starting material. Such solid solutions with a cubic crystal structure are characterized by the fact that these materials are optically isotropic, i.e. the refractive index is the same in all directions.
Weiterhin werden durch die Verwendung fester Lösungen die mechanischen Eigenschaften, wie Flexibilität, Stärke oder Korrosionsempfindlichkeit der Faser, verbessert sowie die spektrale Transmission erweitert. So kann z.B. durch Erhöhung der Konzentration von AgI in einer festen Lösung aus AgBr-Agl die Transmission im sichtbaren Spektralbereich verbessert und die UV-Empfindlichkeit reduziert werden.Furthermore, the use of solid solutions improves the mechanical properties, such as flexibility, strength or sensitivity to corrosion of the fiber, and extends the spectral transmission. For example, by increasing the concentration of AgI in a solid solution of AgBr-Agl, the transmission in the visible spectral range is improved and the UV sensitivity is reduced.
Vorzugsweise werden Fasern oder Faserabschnitte mit einem Durchmesser zwischen 50 .um und 3 mm bereitgestellt, und zwar in Abhängigkeit der Abmessungen des herzustellenden, mikrooptischen Bauelements.Fibers or fiber sections with a diameter between 50 .mu.m and 3 mm are preferably provided, depending on the dimensions of the micro-optical component to be produced.
Bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Fasern oder Faser¬ abschnitte, aus einem einkristallinen Material in Form einer festen Lö¬ sung, mit elliptischem Querschnitt oder rechteckigem Querschnitt bereit¬ gestellt. Faserabschnitte mit elliptischem Querschnitt können in ihrer herzustellenden Querschnittsform der Zylinderlinse angepaßt werden, so daß die einzelnen Zylinderlinsen durch Unterteilung der Faser hergestellt werden. Eine Faser mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt eignet sich insbesondere für einen nachfolgenden Preßvorgang senkrecht zur Fa¬ serachse, da die Faser mit einer flachen Außenseite flächig in die Pre߬ form eingelegt werden kann.The method according to the invention preferably provides fibers or fiber sections made of a single-crystalline material in the form of a solid solution with an elliptical cross section or a rectangular cross section. Fiber sections with an elliptical cross section can be adapted in their cross-sectional shape to be produced to the cylindrical lens, so that the individual cylindrical lenses are produced by dividing the fibers. A fiber with a rectangular or square cross-section is particularly suitable for a subsequent pressing process perpendicular to the axis of the fiber, since the fiber can be inserted flat into the pressing mold with a flat outside.
Während der Druckbeauschlagung im Rahmen des Preßvorgangs kann die in dem Fasermaterial vorhandene, nicht ausgerichtete Orientierung der Ver¬ setzungslinien einer dynamischen Rekristallisation unterzogen werden. Das kristalline Material kann dadurch während des Preßprozesses seine Form in sehr kleinen Einheiten, d.h. kleiner 0,1 ^um, verändern. Dies er¬ möglicht optische Oberflächen und reproudzierbare Eigenschaften der her¬ gestellten mikrooptischen Elemente.During the pressurization in the course of the pressing process, the in the Fiber material present, non-aligned orientation of the dislocation lines are subjected to dynamic recrystallization. As a result, the crystalline material can change its shape in very small units, ie less than 0.1 μm, during the pressing process. This enables optical surfaces and reproducible properties of the micro-optical elements produced.
In Verbindung mit diesen mikrooptischen Bauelementen wird das Verfahren vorzugsweise derart durchgeführt, daß die Faser oder der Faserabschnitt parallel oder senkrecht zur Achse der Faser oder des Faserabschnitts mit Druck beaufschlagt wird. Durch diese spezielle Ausrichtung der Faser oder des Faserabschnitts bei der Druckbeaufschlagung im Rahmen des Pre߬ vorgangs können hohe Produktionsraten bei einer minimalen Anzahl an Ar¬ beitsschritten und geringen MaterialVerlusten sowie reproduzierbare Er¬ gebnisse erzielt bzw. die Eigenschaften der so hergestellten mikroopti¬ schen Elemente noch weiter einander angeglichen werden. Von den beiden bevorzugten Ausrichtungen ist die Ausrichtung der Faser bzw. des Faserab¬ schnitts, bei der die Faserachse senkrecht zu der Richtung der Druckbe¬ aufschlagung verläuft, besonders hervorzuheben, da hierbei insbesondere Mikrolinsenarrays bzw. Reihen- oder Feldanordnungen aus einem Faserstück herstellbar sind, so daß die Einzel-Mikrolinsen im Rahmen des Arrays gleiche optische Eigenschaften besitzen.In connection with these micro-optical components, the method is preferably carried out in such a way that the fiber or the fiber section is subjected to pressure parallel or perpendicular to the axis of the fiber or the fiber section. Due to this special alignment of the fiber or the fiber section when pressurized during the pressing process, high production rates with a minimum number of work steps and low material losses as well as reproducible results can be achieved or the properties of the micro-optical elements produced in this way can still be achieved continue to be aligned. Of the two preferred orientations, the orientation of the fiber or of the fiber section, in which the fiber axis is perpendicular to the direction of the pressurization, is particularly noteworthy, since in particular microlens arrays or row or field arrangements can be produced from one piece of fiber, so that the individual microlenses within the array have the same optical properties.
Die Druckbeaufschlagung parallel zur Faserachse wird insbesondere zur Herstellung mikrooptischer Elemente am Faserende benutzt.The pressurization parallel to the fiber axis is used in particular for the production of micro-optical elements at the fiber end.
Um eine weiche, d.h. streßfreie Verformung, zu erzielen, sollte das Aus¬ gangsmaterial für dessen Verformung erwärmt werden. Bevorzugt wird eine Temperatur gewählt, die höchstens dem 0,8-fachen und mindestens dem 0,3-fachen des Schmelzpunkts des Ausgangsmaterials entspricht. Vorzugs¬ weise sollte die Temperatur im Bereich des 0,5-fachen des Schmelzpunkts des Ausgangsmaterials liegen. Die genaue Temperatureinstellung ist da- rüberhinaus stark von der Größe bzw. dem Durchmesser des herzustellenden, mikrooptischen Bauteils abhängig. Zum Beispiel wurde herausgefunden, daß zum Verformen von Faserstücken mit einem Durchmesser von 2 mm die Tempe¬ ratur zwischen dem 0,7-fachen und 0,8-fachen und zur Verformung von Fa¬ sern mit sehr kleinem Durchmesser die Temperatur zwischen dem 0,2- und 0,3-fachen des Schmelzpunktes des Ausgangsmaterials liegen sollte. Da- rüberhinaus können mit den verfahrensgemäß eingesetzten kristallinen oder polykristallinen Fasern als Ausgangsmaterial in Form einer festen Lösung mikrooptische Elemente unmittelbar auf das Ende der Faserstücke als Strahlungseintritts- und/oder Strahlungsaustrittsfläche aufgepreßt wer¬ den, wobei hierzu der geeignete Temperaturbereich während der Verformung von Fasern mit dem Durchmesser 2 mm zwischen dem 0,7-fachen und 0,8-fachen und zur Verformung von Fasern mit sehr kleinem Durchmesser zwischen dem 0,2- und 0,3-fachen des Schmelzpunktes des Ausgangsmaterials liegen sollte.In order to achieve a soft, ie stress-free deformation, the starting material for its deformation should be heated. A temperature is preferably selected which corresponds at most to 0.8 times and at least 0.3 times the melting point of the starting material. The temperature should preferably be in the range of 0.5 times the melting point of the starting material. The exact temperature setting is also highly dependent on the size or diameter of the micro-optical component to be produced. For example, it was found that for deforming fiber pieces with a diameter of 2 mm, the temperature between 0.7 and 0.8 times and for deforming fibers with a very small diameter, the temperature between 0.2 and 0.3 -fold the melting point of the starting material. In addition, with the crystalline or polycrystalline fibers used as the starting material in the form of a solid solution, micro-optical elements can be pressed directly onto the end of the fiber pieces as the radiation entry and / or radiation exit surface, with the suitable temperature range during the deformation of fibers the diameter 2 mm between 0.7 and 0.8 times and for the deformation of fibers with a very small diameter should be between 0.2 and 0.3 times the melting point of the starting material.
Als weiterer Verfahrensparameter sollte der beim Verformen der Faser oder des Faserabschnitts angewandte Preßdruck kleiner als die Zerreißfestig¬ keit, jedoch größer als die Formänderungsfestigkeit der Faser sein. Die maximal anzuwendenden Drücke liegen je nach verwendetem Material zwischen 20 MPa bis 170 MPa. Die Formänderungsfestigkeit beträgt etwa 0,21 der Zerreißfestigkeit der erfindungsgemäß eingesetzten Faser.As a further process parameter, the compression pressure used when shaping the fiber or the fiber section should be less than the tensile strength, but greater than the deformation resistance of the fiber. Depending on the material used, the maximum pressures to be used are between 20 MPa and 170 MPa. The deformation resistance is about 0.21 of the tensile strength of the fiber used in the invention.
Um eine Kontaminierung der Mikrolinse zu vermeiden, wird während der Ver¬ formung eine Umgebungsatmosphäre aufrechterhalten, die gegenüber dem Fa¬ sermaterial bei der Verformungstemperatur inert ist.In order to avoid contamination of the microlens, an ambient atmosphere is maintained during the shaping which is inert to the fiber material at the shaping temperature.
Weiterhin sollte die Druckbeaufschlagung bevorzugt derart durchgeführt werden, daß die Deformationsgeschwindigkeit der Faser oder des Faserab¬ schnitts während der Druckbeaufschlagung geringer ist als das 0,1-fache der Schallgeschwindigkeit in dem Fasermaterial. Sollte ein solcher Ver¬ fahrensparameter nicht eingehalten werden, kann dies zu Mikrorissen und Mikrospaltenbildung führen. Außerdem können größere Kristallite entste¬ hen, wodurch die Lichtstreuung im mikrooptischen Element vergrößert wird. Bei Einhaltung dieser Deformationsgeschwindigkeit können die sich unter dem Preßdruck bewegenden Versetzungen eine ähnlich feine Mikrokristal- lit-Struktur, wie das Fasermaterial vor dem Pressen, bilden. Für das Material der Preßform haben sich, gerade für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Ti-Verbindungen, Ge und Monokristalle aus A1203, Zr02 als bevorzugt erwiesen. Eine solche Preßform hat den Vorteil, daß sie ausreichend stabil ist, bei der Prozeßtemperatur nicht mit dem Ausgangsmaterial reagiert oder sich damit verbindet und eine mechanische Bearbeitung mit Oberflächenrauhigkeiten < 0,05 .um erfolgen kann, was wiederum zu einer optischen Qualität der Mikrolinsenoberläche mit einer Rauhigkeit < 0,05 .um führt. In Verbindung mit kristallinem oder polykristallinem Ausgangsmaterial ergibt sich bei Verwendung von kristallinen Materialien für die Preßform eine Oberflächenrauhigkeit, die gegenüber anderen, nicht kristallinen Preßformmaterialien um den Faktor 3 verringert ist.Furthermore, the pressurization should preferably be carried out in such a way that the rate of deformation of the fiber or the fiber section during the pressurization is less than 0.1 times the speed of sound in the fiber material. If such a process parameter is not adhered to, this can lead to microcracks and microgaps. In addition, larger crystallites can arise, as a result of which the light scattering in the micro-optical element is increased. If this rate of deformation is maintained, the dislocations moving under the pressure can form a microcrystalline structure similar to that of the fiber material before pressing. For the material of the mold, especially for the application of the method according to the invention, Ti compounds, Ge and monocrystals made from A1 2 0 3 , Zr0 2 have proven to be preferred. Such a mold has the advantage that it is sufficiently stable, does not react with the starting material at the process temperature or combines with it, and mechanical processing with surface roughness <0.05 .mu.m can take place, which in turn leads to an optical quality of the microlens surface with a Roughness <0.05. In connection with crystalline or polycrystalline starting material, the use of crystalline materials for the mold results in a surface roughness which is reduced by a factor of 3 compared to other, non-crystalline mold materials.
Für die Herstellung von planen Oberflächen hat sich die Bearbeitung des Ausgangsmaterials mit einem polierten Messer als bevorzugt erwiesen. Eine solche Bearbeitung hat den Vorteil, daß schadhafte Faserabschnitte in einem Arbeitsgang mit der Erzeugung des neuen mikrooptischen Elements abgetrennt werden können. Die mit einem polierten Messer hergestellte Oberfläche erreicht ebenfalls optische Qualität mit einer Rauhigkeit kleiner 0,05 .um.For the production of flat surfaces, processing the starting material with a polished knife has proven to be preferred. Such processing has the advantage that defective fiber sections can be separated in one operation with the creation of the new micro-optical element. The surface produced with a polished knife also achieves optical quality with a roughness of less than 0.05 μm.
Für das Material des Messers und/oder Zerspanungswerkzeugs haben sich, gerade für die Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, Ti-Verbin¬ dungen, Ge und Monokristalle aus A1203 und Zr03 als bevorzugt er¬ wiesen. Ein solches Messer und/oder Zerspanungswerkzeug besitzt eine aus¬ reichende Härte und ist gegenüber dem Ausgangsmaterial inert.For the material of the knife and / or cutting tool, especially for the applications of the method according to the invention, Ti compounds, Ge and monocrystals made of A1 2 0 3 and Zr0 3 have proven to be preferred. Such a knife and / or cutting tool has sufficient hardness and is inert to the starting material.
Das zur Herstellung der mikrooptischen Elemente eingesetzte Ausgangsmate¬ rial wird bevorzugt wie nachfolgend spezifiziert, um insbesondere die angegebenen, vorteilhaften Eigenschaften der mikrooptischen Elemente zu erzielen:The starting material used to manufacture the micro-optical elements is preferably specified as follows, in particular in order to achieve the specified advantageous properties of the micro-optical elements:
-j: AgCl in einer Konzentration (0-1001) x2: AgBr in einer Konzentration (0-1001) x3: AgI in einer Konzentration (0- 101) in folgender Kombination: mit x, + x2 + x3 - 1001.- j : AgCl in a concentration (0-1001) x 2 : AgBr in a concentration (0-1001) x 3 : AgI in a concentration (0-101) in the following combination: with x, + x 2 + x 3 - 1001.
In den oben angegebenen Grenzen existiert eine feste Lösung in kubischer KristallStruktur. Durch eine höhere Konzentration an AgCl wird die mini¬ male Absorption zum kurzwelligen Spektralbereich verschoben. Durch eine höhere Konzentration an AgBr wird eine Verschiebung der maximalen Trans¬ parenz in den langwelligen Spektralbereich erreicht. Reines AgBr hat eine Transparenz von 0,48 - 34 .um, während der transparente Spektralbereich von AgCl 0,42 - 23 .um umfaßt. Außerdem wird der Brechungsindex zwi¬ schen 1,98 und 2,3 variiert. Eine Stabiliserung der Mikrokristallite ver¬ hindert eine Alterung. Dies wird durch Hinzugabe von einigen Prozenten AgI in feste Lösungen aus AgCl-AgBr erreicht. Eine höhere Konzentration an AgI, 101 und höher, ist mit einer kristallografisehen Transformation in eine nicht kubische KristallStruktur und der Schwierigkeit, einen dichten Kristall zu wachsen, verknüpft und sollte daher vermieden werden. Auf der anderen Seite erhöht AgI die photochemische Stabilität, insbeson¬ dere im Hinblick auf einfallendes Sonnenlicht, erhöht die mechanische Stabilität und setzt die Oberflächenkorrosion in feuchter Luft um einen Faktor 10 herab, so daß ein geringer Anteil an AgI von Vorteil ist.There is a solid solution with a cubic crystal structure within the limits specified above. Due to a higher concentration of AgCl, the minimal absorption is shifted to the short-wave spectral range. A higher concentration of AgBr shifts the maximum transparency into the long-wave spectral range. Pure AgBr has a transparency of 0.48 - 34 .um, while the transparent spectral range of AgCl comprises 0.42 - 23 .um. In addition, the refractive index is varied between 1.98 and 2.3. Stabilization of the microcrystallites prevents aging. This is achieved by adding a few percent AgI in solid AgCl-AgBr solutions. A higher concentration of AgI, 101 and higher, is associated with a crystallographic transformation into a non-cubic crystal structure and the difficulty of growing a dense crystal and should therefore be avoided. On the other hand, AgI increases the photochemical stability, in particular with regard to incident sunlight, increases the mechanical stability and reduces surface corrosion in moist air by a factor of 10, so that a small proportion of AgI is advantageous.
Als bevorzugte Ausgangsmaterialien kann darüberhinaus ZnSe, KRS-5, Csl, KC1, BaF2, A1203, CaF2, NaCl, KBr, TIBr und CsBr eingesetzt wer¬ den. Die vorstehend angegebenen Ausgangsmaterialien haben jeweils spezi¬ fische Eigenschaften bzw. Vorteile, wie folgt:ZnSe, KRS-5, Csl, KC1, BaF 2 , A1 2 0 3 , CaF 2 , NaCl, KBr, TIBr and CsBr can also be used as preferred starting materials. The starting materials specified above each have specific properties or advantages, as follows:
ZnSe: ZnSe ist wasserunlöslich, sehr hart und hat einen relativ hohen Brechungsindex von 2,43.ZnSe: ZnSe is water-insoluble, very hard and has a relatively high refractive index of 2.43.
TIBr: TIBr besitzt einen breiten Spektralbereich, ist aber mechanisch nicht so robust wie KRS-5.TIBr: TIBr has a wide spectral range, but is not mechanically as robust as KRS-5.
KRS-5: KRS-5 ist wasserunlöslich, toxisch, hat einen relativ hohenKRS-5: KRS-5 is water-insoluble, toxic, has a relatively high level
Brechungsindex von 2,38 und eine hohe Knoop-Härte, d.h. es ist sehr robust. KRS-5 findet im Einsatzbereich von C02-Hoch- leistungslasern Verwendung. Fasern aus KRS-5 erlauben im CW-Be-Refractive index of 2.38 and a high Knoop hardness, which means it is very robust. KRS-5 is used in the area of C0 2 -High- power lasers use. KRS-5 fibers allow
2 trieb eine Transmission von bis zu 30 kW/cm . Dieser Wert ist etwa doppelt so hoch wie bei Silberhalogenid-Fasern.2 drove a transmission of up to 30 kW / cm. This value is about twice that of silver halide fibers.
NaCl, KC1, Csl, KC1 und KBr haben geringe Transmissionsverluste und eine hohe Wasserlöslich¬ keit. Ihre hohe Schmelztemperatur macht sie für Laseranwendungen besonders geeignet.NaCl, KC1, Csl, KC1 and KBr have low transmission losses and a high water solubility. Their high melting temperature makes them particularly suitable for laser applications.
BaF2, CaF2, A1203 sind im Vergleich zu den vorstehenden Materialien sehr hart und haben einen Brechungsindex von ca. 1,5. Der Bereich maximaler Transmission ist kurzwelliger als bei den oben aufgeführten Mate¬ rialien. Aufgrund ihrer großen Härte finden sie für folgende La¬ ser Anwendung:BaF 2 , CaF 2 , A1 2 0 3 are very hard compared to the above materials and have a refractive index of approximately 1.5. The range of maximum transmission is shorter-wave than in the materials listed above. Due to their great hardness, they are used for the following lasers:
- HF-Laser (2,7 ^um),- RF laser (2.7 ^ µm),
- YAG: Er3+ (2,94 7um),- YAG: He 3+ (2.94 7 µm),
- DF-Laser (3,8 ^um)- DF laser (3.8 ^ um)
- CO-Laser (5,3-6,2 Um)- CO laser (5.3-6.2 um)
- C02-Laser (10 ^m).- C0 2 laser (10 ^ m).
Um die Linsen für Anwendungen in Verbindung mit Lasern, insbesondere in Verbindung mit C02-Lasern, einzusetzen, wird in einem weiteren Verfah¬ rensschritt auf dem aus der Preßform nach dem Preßvorgang herausgenom¬ menen, mikrooptischen Element eine Antireflexionsbeschichtung aufge¬ bracht. Eine solche Antireflexionsbeschichtung besteht vorzugsweise aus PbF2 (für eine Wellenlänge von 10 .um), die über ein Bedampfungsver- fahren auf die Strahleintritts- und Strahlaustrittsseite des mikroopti¬ schen Elements aufgebracht wird.In order to use the lenses for applications in connection with lasers, in particular in connection with CO 2 lasers, an anti-reflection coating is applied in a further process step to the micro-optical element removed from the mold after the pressing process. Such an antireflection coating preferably consists of PbF 2 (for a wavelength of 10 .mu.m), which is applied to the beam entry and exit sides of the micro-optical element by means of a vapor deposition process.
Durch die breitbandige, spektrale Transparenz sind die mikrooptischen Bauelemente, wie beispielsweise Mikrolinsen, oder Fasern mit aufgesetzten Mikrolinsen, insbesondere für die Strahlführung und Strahlfokussierung in der IR-Laser- und FTIR-Spektroskopie (FTIR - Fourier Transform Infrared), wo derzeit die Strahlfuhrungs- und Fokussierungssysteme noch aus Spiegeln bestehen, geeignet. Die FTIR-Spektroskopie benutzt im Gegensatz zur IR-Laserspektroskopie ein breitbandiges IR-Spektrum. Das trans ittierte, reflektierte bzw. absorbierte Probenspektrum wird über eine Fourier- transformation der Meßgröße, dem sogenannten Interferogramm, berechnet.The broadband, spectral transparency means that the micro-optical components, such as, for example, microlenses, or fibers with attached microlenses, are particularly suitable for beam guidance and beam focusing IR laser and FTIR spectroscopy (FTIR - Fourier Transform Infrared), where the beam guidance and focusing systems currently still consist of mirrors. In contrast to IR laser spectroscopy, FTIR spectroscopy uses a broadband IR spectrum. The transmitted, reflected or absorbed sample spectrum is calculated using a Fourier transformation of the measured variable, the so-called interferogram.
Weiterhin erweitert die breitbandige, spektrale Transparenz der mikroop¬ tischen Elemente den nachweisbaren Temperaturbereich unterhalb des Raum¬ temperaturbereichs. Aufgrund des kleinen Durchmessers der fokussierten Strahlung lassen sich die mikrooptischen Elemente besonders effektiv mit Detektorelementen verknüpfen, deren empfindlichen Detektorflächen etwa dem Fokusdurchmesser entsprechen und die dadurch eine deutlich höhere Empfindlichkeit besitzen als großflächige Detektorelemente.Furthermore, the broadband, spectral transparency of the micro-optical elements extends the detectable temperature range below the room temperature range. Due to the small diameter of the focused radiation, the micro-optical elements can be linked particularly effectively with detector elements whose sensitive detector areas correspond approximately to the focus diameter and which therefore have a significantly higher sensitivity than large-area detector elements.
Ein weiteres, bevorzugtes Anwendungsgebiet der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikrooptischen Elemente ist der Einsatz als opti¬ sche Bauteile in einem Infrarot-Spektrometer. Um insbesondere Transmis¬ sions- bzw. Reflexionsuntersuchungen an Proben außerhalb des Spektrome- ters an nur schwer zugänglichen Positionen, z.B. innerhalb geschlossener Anlagen, durchführen zu können, werden Mikrolinsen mit gleichen Krüm¬ mungsradien am Ende der Beleuchtungs- und Detektionsfaser aufgebracht. Ohne den Einsatz zusätzlicher Sammeloptiken gelangt die gesamte, an der Probe reflektierte bzw. transmittierte Strahlung zum Detektor.Another preferred area of application of the micro-optical elements produced by the method according to the invention is the use as optical components in an infrared spectrometer. In order, in particular, to carry out transmission or reflection examinations on samples outside the spectrometer in positions that are difficult to access, e.g. within closed systems, microlenses with the same radii of curvature are applied to the end of the illumination and detection fiber. Without the use of additional collection optics, all of the radiation reflected or transmitted on the sample reaches the detector.
Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikrooptischen Elemente ist der Einsatz als fo- kussierendes Bauteil in einem IR-Mikroskop. Im Gegensatz zu den üblicher¬ weise in der IR-Mikroskopie eingesetzten Cassegrain-SpiegelSystemen sind die Mikrolinsen über den ganzen Öffnungswinkel transparent. Weiterhin ist der Mikrolinsenfokus von der Größenordnung der Wellenlänge. Zusätzliche, den Meßfleck begrenzende Blenden sind nicht mehr erforderlich. Weiterhin ist ein Mikrolinsenmikroskop aufgrund der kurzen, optischen Wege viel kleiner. Seine Größe ist nur noch durch die Dimension des Po¬ sitionierers und Detektors bestimmt.Another preferred area of application of the micro-optical elements produced by the method according to the invention is the use as a focusing component in an IR microscope. In contrast to the Cassegrain mirror systems usually used in IR microscopy, the microlenses are transparent over the entire aperture angle. Furthermore, the microlens focus is of the order of the wavelength. Additional diaphragms delimiting the measuring spot are no longer required. Furthermore, a microlens microscope is much smaller due to the short, optical paths. Its size is only determined by the dimensions of the positioner and detector.
Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise bzw. dem eingesetzten Material können unter Präparation der entsprechenden Preßformen mikrooptische Gitterelemente, Mikro-Fresnellinsen oder Zylinderlinsen hergestellt wer¬ den.With the procedure according to the invention or the material used, micro-optical lattice elements, micro-Fresnel lenses or cylindrical lenses can be produced by preparing the corresponding molds.
Es hat sich gezeigt, daß mit dem angegebenen Verfahren insbesondere sphärisch, parabolisch und hyperbolisch geformte mikrooptische Elemente, deren Oberflächen einen Abstand zueinander haben, der größer als das 0,1-fache des Faserdurchmessers ist, herstellbar sind. Da Fasern als Ausgangsmaterial eingesetzt werden, können mikrooptische Elemente, deren Dicke nur durch die maximale Faserlänge begrenzt ist, an beiden Faserenden hergestellt werden.It has been shown that, in particular, spherical, parabolic and hyperbolic shaped micro-optical elements, the surfaces of which are at a distance from one another which is greater than 0.1 times the fiber diameter, can be produced using the specified method. Since fibers are used as the starting material, micro-optical elements, the thickness of which is only limited by the maximum fiber length, can be produced on both fiber ends.
Ein bevorzugtes mikrooptisches Element wird in Form eines Zylinders mit zwei optischen Oberflächen hergestellt, die unter einem Winkel C > arctan n verlaufen, wobei D der Winkel zwischen der Ebene der Oberfläche und der Faserachse ist und wobei der Brechungsindex des Ausgangsmaterials n ist. Dieses mikrooptische Bauelement eignet sich insbesondere zur refelxionsfreien Transmission von in der Einfallebene polarisierter Strahlung im Spektralbereich von 0,4 - 30 .um, ins¬ besondere von Infrarotstrahlung. Die Strahlung tritt unter einem Winkel i ■ 2 arctan (n) - Jt/2 zur Faserachse in das mikrooptische Element ein und verläßt unter dem gleichen Winkel das Bauelement.A preferred micro-optical element is manufactured in the form of a cylinder with two optical surfaces which extend at an angle C> arctan n, where D is the angle between the plane of the surface and the fiber axis and where the refractive index of the starting material is n. This micro-optical component is particularly suitable for the reflection-free transmission of radiation polarized in the incident plane in the spectral range from 0.4 to 30 μm, in particular of infrared radiation. The radiation enters the micro-optical element at an angle i 2 arctan (n) - Jt / 2 to the fiber axis and leaves the component at the same angle.
Ein mikrooptisches Element, das mindestens eine plane Oberfläche auf¬ weist, die die Achse der Faser unter einem Winkel von 45° schneidet, eignet sich insbesondere zur Einkopplung von Dioden-Laserstrahlung in ein Faserende oder zur Auskopplung der am Faserende umgelenkten und über den Fasermantel fokussierten Strahlung. Weiterhin ist ein mikrooptisches Element bevorzugt mit mindestens einer Oberfläche, die als Vertiefung ausgebildet ist, und zwar zur Umlenkung und Einkopplung von Strahlung in ein Faserende oder zur Auskopplung von Strahlung aus dem Faserende. Mit einer solchen Geometrie an dem Ende des mikrooptischen Elements kann entweder Strahlung von mehreren Strahlungs- quellen, insbesondere von Diodenlasern, die auf einem Kreisring angeord¬ net sind, über die Flächen dieser konischen Vertiefung in ein solches Ende eingekoppelt werden bzw. in umgekehrter Strahlungsrichtung gesehen, ringförmig aus einem solchen Ende, ausgekoppelt werden; bei einem Verlauf der Fläche der konischen Vertiefung unter 45" zu der Achse wird die Strahlung entlang eines Kreisrings senkrecht zu der Achse der Faser aus¬ gekoppelt und fokussiert. Hinsichtlich der Einkopplung von Strahlung kann ein solches mikrooptisches Bauelement für die Laserspektroskopie von Vorteil sein, da dann um eine Zylinderlinse mit einem solchen mikroopti¬ schen Element an seinem Ende eine Geometrie dargestellt wird, die es ermöglicht, um die Achse der Faser herum verschiedene Laser verschiedener Wellenlänge anzuordnen (hierfür ist ein ausreichender Raum vorhanden), um Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge in dieses mikrooptische Faser¬ ende einzukoppeln.A micro-optical element which has at least one flat surface which intersects the axis of the fiber at an angle of 45 ° is particularly suitable for coupling diode laser radiation into a fiber end or for coupling out those deflected at the fiber end and focused over the fiber cladding Radiation. Furthermore, a micro-optical element is preferred with at least one surface which is designed as a depression, specifically for deflecting and coupling radiation into a fiber end or for coupling radiation out of the fiber end. With such a geometry at the end of the micro-optical element, radiation from a plurality of radiation sources, in particular from diode lasers, which are arranged on a circular ring, can be coupled into such an end via the surfaces of this conical depression or seen in the opposite direction of radiation , ring-shaped from such an end, are coupled out; If the surface of the conical depression is less than 45 "to the axis, the radiation is coupled out and focused along a circular ring perpendicular to the axis of the fiber. With regard to the coupling in of radiation, such a micro-optical component can be advantageous for laser spectroscopy, since then around a cylindrical lens with such a micro-optical element at its end a geometry is shown which makes it possible to arrange different lasers of different wavelengths around the axis of the fiber (there is sufficient space for this) to emit radiation of different wavelengths into this micro-optical To couple fiber end.
Falls nur zwei solcher Einkoppelflächen bzw. Auskoppelfl chen benötigt werden, beispielsweise um die Strahlung aus dem Ende in zwei Teilstrahlen auszukoppeln oder von außen Strahlung von zwei Lasern in das Faserende einzukoppeln, kann die Vertiefung in mindestens zwei oder mehr plane Flächen unterteilt werden. Um insbesondere hinsichtlich einer Auskopplung von Strahlung und Teilstrahlen unterschiedliche Strahlungsintensitäten zu erhalten, werden solche Teilflächen in unterschiedlicher Größe gewählt.If only two such coupling surfaces or coupling surfaces are required, for example in order to couple the radiation from the end into two partial beams or to couple radiation from the outside into the fiber end from two lasers, the depression can be divided into at least two or more flat surfaces. In order to obtain different radiation intensities, in particular with regard to coupling out radiation and partial beams, such partial areas are selected in different sizes.
Ein bevorzugtes, mikrooptisches Bauelement ist durch einen zylindrischen Faserabschnitt gegeben, der ein Faserende mit einem rotationssymmetrisch zu der optischen Achse des zylindrischen Faserabschnitts angeordneten Konus und/oder mehrere konzentrisch angeordnete Konusringe aufweist. Ein solches Ende der Faser kann dazu eingesetzt werden, die über das andere Ende eingekoppelte Strahlung bei einem Winkel der konischen Fläche zu der Achse von 45° oder weniger total zu reflektieren. Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikrooptischen Elemente ist der Einsatz solcher Elemente als Bauteile für Mikroobjektive, bestehend aus mindestens zwei Mikrolinsen, die insbesondere über einen breiten Spektralbereich transpa¬ rent sein sollen.A preferred, micro-optical component is provided by a cylindrical fiber section which has a fiber end with a cone arranged rotationally symmetrically to the optical axis of the cylindrical fiber section and / or a plurality of concentrically arranged cone rings. Such an end of the fiber can be used to totally reflect the radiation coupled in via the other end at an angle of the conical surface to the axis of 45 ° or less. Another preferred area of application of the micro-optical elements produced by the method according to the invention is the use of such elements as components for micro-objectives, consisting of at least two microlenses, which should be transparent in particular over a wide spectral range.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeich¬ nungen.Further details and features of the invention result from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings.
Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Beispiel zur Herstellung einer Preßform für eine lineare Anordnung von Mikrolinsen mit einer sphärischen Krümmung;Fig. 1 shows a sectional view of an example for the production of a mold for a linear arrangement of microlenses with a spherical curvature;
Fig. 2 zeigt schematisch in einer Schnittdarstellung die Herstellung einer linearen Anordnung von bikonvexen Mikrolinsen mit den in Figur 1 hergestellten Preßformen, wobei die Anordnung geöffnet mit einem eingelegten Faserrohling dargestellt ist.Fig. 2 shows schematically in a sectional view the manufacture of a linear arrangement of biconvex microlenses with the press molds produced in Figure 1, the arrangement being shown open with an inserted fiber blank.
Fig. 3 zeigt schematisch im Schnitt eine Anordnung zur Herstellung eines sphärischen Faserendes.Fig. 3 shows schematically in section an arrangement for producing a spherical fiber end.
Fig. 4a) bis 4h) zeigen Beispiele für unterschiedliche Geometrien mikrooptischer Elemente und mikrooptischer Elemente am Faser¬ ende, die beispielsweise mit der Anordnung nach Figur 2 oder 3 hergestellt werden können.4a) to 4h) show examples of different geometries of micro-optical elements and micro-optical elements at the fiber end, which can be produced, for example, with the arrangement according to FIG. 2 or 3.
Fig. 5a zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Be¬ stimmung des Strahlfokusdurchmessers, der mit einer Mikrolinse gemäß der Erfindung erzielbar ist.5a shows a schematic representation of an arrangement for determining the beam focus diameter that can be achieved with a microlens according to the invention.
Fig. 5b zeigt zwei Spektren, die mit einer Anordnung gemäß Figur 5a mit einem Meßfleck von 60 .um (gestrichelt) bzw. 100 ^um (ausgezogen) aufgenommen sind. Fig. 6a zeigt ein Spiegelspektrum (durchgezogene Linie) im Vergleich zu einem Spektrum, das unter Einsatz der erfindungsgemäß her¬ gestellten Mikrolinsen aufgenommen ist (gestrichelte Linie).5b shows two spectra, which are recorded with an arrangement according to FIG. 5a with a measurement spot of 60 .mu.m (dashed) or 100 .mu.m (solid). 6a shows a mirror spectrum (solid line) in comparison to a spectrum which is recorded using the microlenses produced according to the invention (dashed line).
Fig. 6b zeigt ein Spektrum, das mit einer sphärischen Mikrolinse am Ende einer 4 m langen polykristallinen AgBr-Agl-Faser aufge¬ nommen st.FIG. 6b shows a spectrum which is recorded with a spherical microlens at the end of a 4 m long polycrystalline AgBr-Agl fiber.
Fig. 7 zeigt schematisch die Anwendung der erfindungsgemäß herge¬ stellten Mikrolinse in einem herkömmlichen Infrarot-Spiegel¬ mikroskop.7 schematically shows the use of the microlens produced according to the invention in a conventional infrared mirror microscope.
Fig. 8 zeigt die Anwendung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mikrolinse in fester Verbindung mit einem Detek¬ tor.8 shows the use of a microlens produced by the method according to the invention in fixed connection with a detector.
Fig. 9 zeigt ein Mikroobjektiv in einem Schnitt, das aus erfindungs¬ gemäßen Mikrolinsen aufgebaut ist.9 shows a micro-objective in a section, which is constructed from micro-lenses according to the invention.
Fig. 10a zeigt schematisch im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines10a schematically shows in section an embodiment of a
Infrarot-Emissionsmikroskops unter Einsatz von mikrooptischen Bauelementen, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.Infrared emission microscope using micro-optical components, which are manufactured according to the inventive method.
Fig. 10b zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines Infrarot-Re- flexions-/Transmissionsmikroskops unter Einsatz von mikroopti¬ schen Bauelementen, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.10b shows in section an embodiment of an infrared reflection / transmission microscope using micro-optical components which are produced in accordance with the method according to the invention.
Fig. 11 zeigt im Schnitt schematisch ein Beispiel einer flexiblenFig. 11 schematically shows an example of a flexible section
Beleuchtungs- und Detektionsoptik für Reflexionsmessungen mit einem Infrarot-Spektro eter unter Einsatz von kristallinen oder polykristallinen Fasern mit an dem Ende aufgepreßten, mikrooptischen Bauelementen gemäß der Erfindung. Fig. 12 zeigt im Schnitt schematisch ein Beispiel einer flexiblenIllumination and detection optics for reflection measurements with an infrared spectro eter using crystalline or polycrystalline fibers with pressed-on micro-optical components according to the invention. Fig. 12 schematically shows an example of a flexible section
Beleuchtungs- und Detektionsoptik für Transmissionsmessungen mit einem Infrarot-Spektrometer unter Einsatz von kristallinen oder polykristallinen Fasern mit an dem Ende aufgepreßten mikrooptischen Bauelementen gemäß der Erfindung.Illumination and detection optics for transmission measurements with an infrared spectrometer using crystalline or polycrystalline fibers with pressed-on micro-optical components according to the invention.
Fig. 13a und 13b zeigen einen Längs- und Querschnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes, planes, unter 45° geformtes Faserende zur Einkopplung von Dioden-Laserstrahlung.13a and 13b show a longitudinal and cross section through a flat, 45 ° shaped fiber end produced according to the invention for coupling in diode laser radiation.
Fig. 14a und 14b zeigen einen Längs- und Querschnitt durch eine konische Spitze einer Faser mit einem Halbwinkel Oü « 45°, zur Total¬ reflexion von Strahlung am Faserende.14a and 14b show a longitudinal and cross-section through a conical tip of a fiber with a half angle of 45.degree. For total reflection of radiation at the fiber end.
Fig. 15a und 15b zeigen einen Längs- und Querschnitt durch eine konische Spitze einer Faser mit einem äußeren Konusring, die ebenfalls zur Totalreflexion von Strahlung am Faserende geeignet ist.15a and 15b show a longitudinal and cross-section through a conical tip of a fiber with an outer cone ring, which is also suitable for the total reflection of radiation at the fiber end.
Fig. 16 zeigt einen Längsschnitt durch ein mikrooptisches Element zur reflexionsfreien Transmission von in der Einfallsebene polari¬ siertem Licht, das unter einem Winkel i zur Faserachse ein¬ fällt.16 shows a longitudinal section through a micro-optical element for the reflection-free transmission of light polarized in the plane of incidence, which is incident at an angle i to the fiber axis.
Fig. 17a und 17b zeigen einen Quer- und Längsschnitt durch eine konische Vertiefung mit einem Halbwinkel O - 45°, zur Einkopplung von Strahlung mehrerer Dioden-Laser in das Faserende.17a and 17b show a cross-section and a longitudinal section through a conical depression with a half-angle O - 45 °, for coupling radiation from several diode lasers into the fiber end.
Fig. 18a, 18b, 18c und 18d zeigen jeweils Draufsichten eines Faserendes mit Blick in Richtung der Faserachse, und zwar in zwei, drei und vier planen Flächen aufgeteilt, zur Einkopplung von zwei, drei oder vier Dioden-Lasern in ein Faserende.18a, 18b, 18c and 18d each show top views of a fiber end with a view in the direction of the fiber axis, namely divided into two, three and four flat surfaces, for coupling two, three or four diode lasers into one fiber end.
Fig. 19 zeigt die Verwendung des Faserendes aus Figur 18 als Strahl¬ teiler, und zwar in einer Draufsicht von vorne und in einer seitlichen Draufsicht. Um ein mikrooptisches Element oder ein Faserende in Form eines mikroopti¬ schen Elements herzustellen, ist es zunächst erforderlich, eine Preßform zu erstellen, die eine Negativform des mikrooptischen Elements, bei¬ spielsweise eine sphärische Mikrolinse, darstellt. Solche mikrooptischen Elemente können als Einzeleiemente erstellt werden oder aber als lineare Reihenanordnungen oder flächenför ige Anordnungen bzw. Arrays. Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Herstellung einer Preßform für vier linear ange¬ ordnete, sphärische Mikrolinsen, wobei die nach Fig. 1 hergestellte Pre߬ form dann in einer Preßanordnung einsetzbar ist, wie sie die Fig. 2 zeigt. Die Anordnung, wie sie die Fig. 1 zeigt, umfaßt einen Linearposi- tionierer 101 mit einem Grundkörper 102, in dem ein Preßform-Rohling 103 gehalten ist. In einem Stift 104, der mit seiner Achse senkrecht zu der Ebene des Preßform-Rohlings 103 gehalten ist, trägt an seinem Ende eine Kugellagerkugel 105 in einer entsprechenden Mulde, wobei die Kugellager- kugel 105 in die Mulde des zylindrischen Stifts 104 eingeklebt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Kugel 105 2 mm. Der Stift 104 ist in einer Scheibe 106 aus Edelstahl geführt, die auf der Oberseite des Preßform-Rohlings 103 bzw. auf einer Auflageflä- che 107 des Grundkörpers 102 flächig aufliegt. Sowohl der Stift 104 als auch die Scheibe 106 sind in einem Träger 108 geführt, der horizontal zwischen einem Federelement 109 auf der einen Seite und einer Mikro-Posi- tionierschraube 110 auf der anderen Seite geführt ist. Mit der Mikro-Po- sitionierschraube 110 wird der Stift 104 mit der Kugel 105 über dem Pre߬ form-Rohling, der beispielsweise aus kristallinem Zr02 besteht, einpo¬ liert, indem der Stift 104 über einen geeigneten Antrieb um seine Achse und damit die Kugel 105 gedreht wird. Die Edelstahl-Scheibe 106 dient dabei als Führung für den Stift 104 und der Kugel 105. Als Poliermittel wird Diamantpaste der Korngröße 25 .um bis 0,15 .um verwendet. Ein zylindrischer Ring 112, der auf den Stift 104 aufgesetzt und vom Ende des Stifts 104 bzw. dem Ende der Kugel 105 zurückversetzt ist, dient als Tiefenanschlag für das Eindringen der Kugel 105 in den Preßform-Roh¬ ling 103. Dieser Anschlag kann durch geeignete, nicht dargestellte Ein- stell ittel in Achsrichtung des Stifts 104 verschoben werden und damit kann die Einschleiftiefe der Kugel 105 in dem Rohling 103 reproduzierbar - 19 -FIG. 19 shows the use of the fiber end from FIG. 18 as a beam splitter, specifically in a top view from the front and in a side top view. In order to produce a micro-optical element or a fiber end in the form of a micro-optical element, it is first necessary to create a press mold which represents a negative form of the micro-optical element, for example a spherical microlens. Such micro-optical elements can be created as individual elements or as linear row arrangements or surface arrangements or arrays. 1 shows an arrangement for producing a press mold for four linearly arranged, spherical microlenses, the press mold produced according to FIG. 1 then being able to be used in a press arrangement as shown in FIG. 2. The arrangement as shown in FIG. 1 comprises a linear positioner 101 with a base body 102, in which a die blank 103 is held. In a pin 104, which is held with its axis perpendicular to the plane of the die blank 103, a ball bearing ball 105 carries at its end in a corresponding trough, the ball bearing ball 105 being glued into the trough of the cylindrical pin 104. In the exemplary embodiment shown, the diameter of the ball 105 is 2 mm. The pin 104 is guided in a disk 106 made of stainless steel, which rests flat on the upper side of the die blank 103 or on a support surface 107 of the base body 102. Both the pin 104 and the washer 106 are guided in a carrier 108 which is guided horizontally between a spring element 109 on one side and a micro-positioning screw 110 on the other side. The micro-positioning screw 110 is used to polish the pin 104 with the ball 105 over the press blank, which consists, for example, of crystalline ZrO 2 , by the pin 104 using a suitable drive about its axis and thus the Ball 105 is rotated. The stainless steel disc 106 serves as a guide for the pin 104 and the ball 105. Diamond paste with a grain size of 25 μm to 0.15 μm is used as the polishing agent. A cylindrical ring 112, which is placed on the pin 104 and set back from the end of the pin 104 or the end of the ball 105, serves as a depth stop for the penetration of the ball 105 into the die blank 103. This stop can be achieved by suitable means , setting means, not shown, can be moved in the axial direction of the pin 104 and the depth of insertion of the ball 105 into the blank 103 can thus be reproduced - 19 -
eingestellt werden. Nachdem eine erste, sphärische, der Form der Ku¬ gel 105 angepaßte Preßform-Vertiefung 111 gebildet ist, wird der Trä¬ ger 108 über die Mikro-Positionierschraube 110 in X-Richtung, wie dies durch den Pfeil in Fig. 1 angedeutet ist, gegen den Gegendruck des Feder¬ elements 109 verschoben, um dann im Anschluß an die Vertiefung 111 eine weitere Vertiefung in den Rohling 103 einzubringen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Nacheinander können in dem dargestellten Preßform-Roh¬ ling 103 vier solcher spärischer Vertiefungen 111 in einer linearen An¬ ordnung gebildet werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Entsprechend der Darstellung der Fig. 1 kann eine weitere, nicht dargestellte Posi¬ tioniereinrichtung vorgesehen werden, um den Träger 108 zusammen mit dem Stift 104 und der Kugel 105 in der Y-Richtung zu verschieben, um ein Array bzw. eine Feldanordnung aus sphärischen Vertiefungen 111 zu bilden. Um identische, sphärische Vertiefungen zu erhalten, ist es in einfacher Weise möglich, die Kugellager-Kugel 105 während des Bearbeitungsverfah¬ rens des Preßform-Rohlings 103 gegen eine neue, ungebrauchte Kugel auszu¬ tauschen. Es hat sich gezeigt, daß mit der Diamantpaste die Oberflächen¬ rauhigkeit, mit während des Schleifens abnehmender Korngröße, auf weniger als 0,1 .um reduziert werden kann. Entsprechend der Eindringtiefe der Kugel 105 kann beispielsweise der Durchmesser der sphärischen Vertiefung 1 mm betragen. Benachbarte Vertiefungen 111 können mit ihren Randberei¬ chen in einem Abstand von 0,2 mm zueinander angeordnet werden. Mikrolin- sen-Arrays mit 10 x 10 Mikrolinsen sind problemlos mit der Anordnung nach Fig. 1 herstellbar.can be set. After a first spherical press mold recess 111, which is adapted to the shape of the ball 105, is formed, the carrier 108 is moved in the X direction via the micro positioning screw 110, as is indicated by the arrow in FIG. 1, against the counterpressure of the spring element 109, in order to then introduce a further depression into the blank 103 following the depression 111, as is shown in FIG. 1. One after the other, four such spherical depressions 111 can be formed in a linear arrangement in the illustrated die blank 103, as shown in FIG. 2. According to the illustration in FIG. 1, a further positioning device, not shown, can be provided in order to move the carrier 108 together with the pin 104 and the ball 105 in the Y direction, in order to arrange an array or a field arrangement of spherical depressions 111 form. In order to obtain identical, spherical depressions, it is possible in a simple manner to replace the ball bearing ball 105 with a new, unused ball during the processing of the die blank 103. It has been shown that the surface roughness can be reduced to less than 0.1 .mu.m with the diamond paste as the grain size decreases during grinding. Depending on the depth of penetration of the ball 105, the diameter of the spherical depression can be 1 mm, for example. Adjacent depressions 111 can be arranged with their edge areas at a distance of 0.2 mm from one another. Microlens arrays with 10 x 10 microlenses can be produced with the arrangement according to FIG. 1 without any problems.
Preßformen, die aus den Preßform-Rohlingen 103 der Fig. 1 hergestellt sind, werden dann in eine Preßanordnung 201 eingesetzt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Um bikonvexe Linsen zu fertigen, wird jeweils eine Pre߬ form 202 und 203 in eine Halterung 204 und 205 eingesetzt, die gegenüber¬ liegend zueinander positioniert sind. Jede Halterung 204, 205 ist mit integrierten Heizeinrichtungen 206 und 207 ausgestattet. Ein oder mehre¬ re, nicht dargestellte Thermoelemente messen die Temperatur der Preßfor¬ men 202, 203. Zum Pressen von bikonvexen Mikrolinsen oder Mikrolinsen- reihenanordnungen wird das Ende einer 1 mm dicken, bis zu 10 m langen, polykristallinen AgBr-Agl-Faser 208 über eine hülsenförmige Führung 209 geführt zwischen die beiden Preßformen 202, 203 geschoben. In dem gezeig¬ ten Beispiel weist die AgBr-Agl-Faser 208 einen AgI-Anteil von 51 auf. In der Stellung, die in Fig. 2 dargestellt ist, werden die beiden Halte¬ rungen 204, 205 über die Heizeinrichtung 206, 207 erwärmt und die Pre߬ formen 202, 203 aufeinanderzubewegt, wofür die obere Preßform an einem Kolben 210 gehalten ist. Um die Preßtiefe zu begrenzen, sind an dem Kol¬ ben 210 Anschläge 211 vorgesehen, während die untere Halterung 204 über ein höhenverstellbares Gestell 212 gehalten ist. Um eine korrekte Aus¬ richtung der oberen Preßform 203 zu der unteren Preßform 202 zu gewähr¬ leisten, ist an dem Kolben 210 ein Positionierungssensor 213 vorgesehen. Mit dem Aufeinanderzubewegen der beiden Halterungen 204, 205 bzw. der beiden Preßformen 202, 203 wird gleichzeitig der gepreßte Faserab¬ schnitt 214 entlang der Linie 215 mit einem Messer 216 abgetrennt. Bei dem Messer handelt es sich um eine polierte Schneide aus kristallinem Zirkoniumoxid, um eine Reaktion mit dem Fasermaterial zu vermeiden. Wei¬ terhin ist eine Zirkoniumoxidschneide sehr hart, so daß sie durch den Schneidvorgang nicht beschädigt wird.Press molds which are produced from the press mold blanks 103 of FIG. 1 are then inserted into a press arrangement 201, as is shown in FIG. 2. In order to manufacture biconvex lenses, a press mold 202 and 203 is inserted into a holder 204 and 205, which are positioned opposite one another. Each bracket 204, 205 is equipped with integrated heaters 206 and 207. One or more thermocouples, not shown, measure the temperature of the press molds 202, 203. For pressing biconvex microlenses or microlens array arrangements, the end of a 1 mm thick, up to 10 m long, polycrystalline AgBr-Agl fiber 208 guided over a sleeve-shaped guide 209 between the two molds 202, 203. In the example shown, the AgBr-Agl fiber 208 has an AgI content of 51. In the position shown in FIG. 2, the two brackets 204, 205 are heated via the heating device 206, 207 and the molds 202, 203 are moved toward one another, for which purpose the upper mold is held on a piston 210. In order to limit the pressing depth, stops 211 are provided on the piston 210, while the lower holder 204 is held by a height-adjustable frame 212. In order to ensure correct alignment of the upper die 203 to the lower die 202, a positioning sensor 213 is provided on the piston 210. When the two holders 204, 205 or the two press molds 202, 203 are moved towards one another, the pressed fiber section 214 is simultaneously cut off along the line 215 with a knife 216. The knife is a polished cutting edge made of crystalline zirconium oxide in order to avoid a reaction with the fiber material. Furthermore, a zirconium oxide cutting edge is very hard, so that it is not damaged by the cutting process.
Der Preßdruck für die Faser mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung beträgt etwa 80 MPa; die Deformationsgeschwindigkeit während der Druckbe¬ aufschlagung ist kleiner 1 mm/s. Der Preßvorgang wird in einer stick- stoffgefüllten Atmosphäre innerhalb des Gehäuses 209 der Preßanord¬ nung 201 durchgeführt. Die gepreßten und von der Faser 208 abgetrennten Faserabschnitte 214 werden dann in Richtung des Pfeils 218 nach öffnen der Halterung 204 und 205 abtransportiert und anschließend wird das Ende der Faser 208 in Richtung des Pfeils 218 vorgeschoben, um den nächsten Faserabschnitt zwischen die Preßformen 202, 203 zu bringen. Die jeweilige Länge der Faserabschnitte beträgt etwa 6 mm in der dargestellten Aus¬ führungsform.The pressing pressure for the fiber with the arrangement shown in Fig. 2 is about 80 MPa; the rate of deformation during the pressurization is less than 1 mm / s. The pressing process is carried out in a nitrogen-filled atmosphere within the housing 209 of the pressing arrangement 201. The pressed and separated from the fiber 208 fiber sections 214 are then transported in the direction of arrow 218 after opening the holder 204 and 205 and then the end of the fiber 208 is advanced in the direction of arrow 218 to the next fiber section between the dies 202, 203th bring to. The respective length of the fiber sections is approximately 6 mm in the embodiment shown.
In Fig. 3 ist eine Preßanordnung 301 dargestellt, um auf das Ende einer Faser 302 ein sphärisches Faserende zu formen. Die Preßanordnung ent¬ spricht im wesentlichen dem Aufbau der Preßanordnung 201 der Fig. 2 in Bezug auf die obere Halterung 303, die Preßform 304, die Heizeinrich¬ tung 305 in der Halterung 303, den Kolben 306, an dem die Halterung 303 geführt ist, den Anschlägen 307 und den Positionierungssensor 308. An¬ stelle der unteren Halterung 204 und der unteren Preßform 202 der Fig. 2 ist in der Anordnung der Fig. 3 eine hülsenförmige Führung 309 an dem Gehäuse 310 angeordnet, in der eine Faser 311 geführt ist. Die Faser 311 besitzt in dieser Ausführung einen Durchmesser von 1 mm und ist aus AgBr-Agl als feste Lösung mit einem Jodanteil von 51 hergestellt. Die Preßform 304 besitzt eine einzelne, sphärische Vertiefung 312, die bei¬ spielsweise mit einer Anordnung, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist, in die Preßform 304 eingebracht ist. Das Faserende der Faser 311 wird über die Stirnseite der hülsenförmigen Führung 309 überstehend vorgescho¬ ben. Zum Aufpressen eines sphärischen Faserendes auf die Faser 311 wird die Halterung 303 mittels der Heizeinrichtung 305 auf etwa 200 βC erwärmt und dann wird der Kolben 306 nach unten auf das Ende der Faser 311 be¬ wegt. Mit einem Preßdruck von etwa 80 MPa wird die sphärische Vertie¬ fung 312 auf das Faserende aufgepreßt, danach der Kolben 306 wieder nach oben bewegt und die Faser aus der hülsenförmigen Führung 309 herausge¬ zogen.3, a press assembly 301 is shown to form a spherical fiber end on the end of a fiber 302. The press arrangement corresponds essentially to the structure of the press arrangement 201 of FIG. 2 in Reference to the upper bracket 303, the mold 304, the heating device 305 in the bracket 303, the piston 306 on which the bracket 303 is guided, the stops 307 and the positioning sensor 308. Instead of the lower bracket 204 and the 3, a sleeve-shaped guide 309 is arranged on the housing 310 in the arrangement of FIG. 3, in which a fiber 311 is guided. The fiber 311 in this embodiment has a diameter of 1 mm and is made of AgBr-Agl as a solid solution with an iodine content of 51. The compression mold 304 has a single, spherical depression 312, which is introduced into the compression mold 304, for example, with an arrangement as shown in FIG. 1. The fiber end of the fiber 311 is protruding over the end of the sleeve-shaped guide 309. To press a spherical fiber end onto the fiber 311, the holder 303 is heated to about 200 ° C. by means of the heating device 305 and then the piston 306 is moved downward onto the end of the fiber 311. The spherical recess 312 is pressed onto the fiber end with a pressing pressure of approximately 80 MPa, then the piston 306 is moved up again and the fiber is pulled out of the sleeve-shaped guide 309.
In den Fig. 4a bis 4h sind verschiedene mikrooptische Elemente gezeigt, die als einzelne, mikrooptische Elemente hergestellt oder auf ein Faser¬ ende aufgepreßt werden können, und zwar mit Anordnungen, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt und vorstehend beschrieben sind.4a to 4h show various micro-optical elements which can be produced as individual, micro-optical elements or which can be pressed onto a fiber end, with arrangements as shown in FIGS. 2 and 3 and described above.
Die Durchmesser und Krümmungsradien der in den Abbildungen 4a und 4b dargestellten Mikrolinsen betragen 0,5 mm, während die Einzelmikrolinse des in Fig.4c gezeigten Mikrolinsen-Arrays einen Durchmesser von 0,35 mm bei einem Krümmungsradius von 0,25 mm besitzt. In Fig. 4d ist eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Mikro-Fresnell-Linse darge¬ stellt, die auf der Gegenseite eine konvex gekrümmte Oberfläche besitzt. Die Linse der Fig. 4e besitzt eine plane, dem Mikro-Gitter gegenüberlie¬ gende Linsenflache. Aufgrund der breiten, spektralen Transparenz des erfindungsgemäß eingesetzten Ausgangsmatenals in Form einer kristallinen oder polykristallinen Faser oder eines Faserabschnitts einer Faser mit einem spektralen Durchlaßbereich von 0,4 .um bis 30 .um, die aus einem Ausgangsmaterial einer festen Lösung hergestellt sind, ergibt sich eine breite Einsatzmöglichkeit der Mikrolinsen und Mikro-Gitter bzw. der Fasern der Fig. 4f, 4g und 4h mit unterschiedlich geformten Faserenden, sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Spektralbereich. Die Fasern mit den in den Fig.4f bis 4h gezeigten sphärischen, parabolischen bzw. hyperbolischen Faserenden sind insbesondere für flexible Fokussieroptiken geeignet und finden ihren besonderen Einsatz in der Lasermedizin, der Laser-Materialbearbeitung und der Spektroskopie. Beispielsweise kann mit dem hyperbolischen Faserende, wie es in Fig.4h dargestellt ist, der Durchmesser der fokussierten Strahlung um einen Faktor 1,8 gegenüber dem sphärischen Faserende, wie es in Figur 4f dargestellt ist, verringert werden.The diameters and radii of curvature of the microlenses shown in FIGS. 4a and 4b are 0.5 mm, while the individual microlens of the microlens array shown in FIG. 4c have a diameter of 0.35 mm with a radius of curvature of 0.25 mm. 4d shows a micro Fresnel lens produced by the method according to the invention, which has a convexly curved surface on the opposite side. The lens of FIG. 4e has a flat lens surface opposite the micro grating. Because of the broad, spectral transparency of the starting material used according to the invention in the form of a crystalline one or polycrystalline fiber or a fiber section of a fiber with a spectral passband from 0.4 .mu.m to 30 .mu.m, which are made from a starting material of a solid solution, there is a wide range of possible uses of the microlenses and micro grids or the fibers of FIG 4f, 4g and 4h with differently shaped fiber ends, both in the visible and in the infrared spectral range. The fibers with the spherical, parabolic or hyperbolic fiber ends shown in FIGS. 4f to 4h are particularly suitable for flexible focusing optics and are used in particular in laser medicine, laser material processing and spectroscopy. For example, with the hyperbolic fiber end, as shown in FIG. 4h, the diameter of the focused radiation can be reduced by a factor of 1.8 compared to the spherical fiber end, as shown in FIG. 4f.
In Fig. 5a ist ein Verfahren bzw. eine schematische Anordnung darge¬ stellt, mit der der Fokusdurchmesser einer erfindungsgemäß hergestellten Mikrolinse 501 bestimmt werden kann. Dazu wird die Mikrolinse 501, bei der es sich um eine Mikrolinse mit einer sphärischen Strahleintritts- fläche und einer ebenen Strahlaustrittsfläche handelt, mit einem paral¬ lelen Strahlenbündel 502 beleuchtet. Der Fokus der Mikrolinse 501 wird über die beiden Cassegrain-Spiegeloptiken 503, 504 mit Hilfe der Justier¬ optik 505 und einer Feldblende 506 im Strahlengang zwischen den beiden Spiegeloptiken 503 und 504 und einem Positionierer 507, auf dem die Mi¬ krolinse 501 in der X-, Y- und Z-Richtung einstellbar gehalten ist, auf ein MCT-Detektorelement 508 (MCT: Hg, Cd, Te sind die Elemente, aus denen das Detektorelement besteht) abgebildet.5a shows a method or a schematic arrangement with which the focus diameter of a microlens 501 produced according to the invention can be determined. For this purpose, the microlens 501, which is a microlens with a spherical beam entry surface and a flat beam exit surface, is illuminated with a parallel beam 502. The focus of the microlens 501 is determined via the two Cassegrain mirror optics 503, 504 with the aid of the adjusting optics 505 and a field diaphragm 506 in the beam path between the two mirror optics 503 and 504 and a positioner 507 on which the microlens 501 in the X -, Y- and Z-direction is kept adjustable, is mapped to an MCT detector element 508 (MCT: Hg, Cd, Te are the elements that make up the detector element).
In Fig. 5b sind zwei Spektren aufgetragen, die mit der Anordnung nach Fig. 5a aufgenommen sind, und zwar die Intensität in Abhängigkeit der Wellenlänge, die durch die Mikrolinse 501 hindurchgelassen wird. Das in durchgezogener Linie aufgetragene Spektrum stellt einen Meßfleck auf dem Detektorelement 508 mit einem Durchmesser von 100 .um dar, während das mit unterbrochener Linie aufgetragene Spektrum einen Meßfleck auf dem Detektorelement 508 mit einem Durchmesser von 60 um zeigt. Ein Ver¬ gleich dieser beiden Spektren zeigt, daß mehr als 951 der fokussierten Intensität innerhalb eines aufgenommenen Bereichs mit einem Durchmesser von 60 .um liegen. Weiterhin zeigen diese Spektren, daß die Mikrolinse eine gute Transparenz im Wellenlängenbereich zwischen 2 und 18.um be¬ sitzt. Strahlung mit Wellenlängen größer als 18 ^um kann mit dem hier verwendeten HgCdTe-Element nicht nachgewiesen werden. In Fig. 6a ist ein Spektrum, das mit einer erfindungsgemäßen Mikrolinse aufgenommen ist (gestrichelte Kurve), einem Spektrum, das ohne erfindungsgemäße Mikro¬ linse aufgenommen ist (durchgezogene Kurve), gegenübergestellt. Beide Spektren wurden mit einem Aufbau vermessen, wie er in Fig. 5a dargestellt ist. Das Mikrolinsenspektrum zeigt analog dem Spektrum, das ohne Mikro¬ linse augenommen wurde, keine Streuverluste im kurzwelligen Bereich. Dies ist ein Hinweis auf eine sehr feine, mikrokristalline Struktur des Aus¬ gangsmaterials und auf die optische Qualität der Oberflächen der Mikro¬ linse, die mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Material bzw. mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren erzielt werden. Außerdem ist das Fehlen von zusätzlichen Absorptionsbanden im Spektrum typisch für die kristalline IR-Faser, die aus einem Ausgangsmaterial in Form einer festen Lösung hergestellt ist, und zwar für die Herstellung mikrooptischer Ele¬ mente.FIG. 5 b shows two spectra, which are recorded with the arrangement according to FIG. 5 a, namely the intensity as a function of the wavelength that is transmitted through the microlens 501. The spectrum plotted in a solid line represents a measurement spot on the detector element 508 with a diameter of 100 .mu.m, while the spectrum plotted with a broken line represents a measurement spot on the Detector element 508 with a diameter of 60 µm shows. A comparison of these two spectra shows that more than 951 of the focused intensity lie within a recorded area with a diameter of 60 .mu.m. Furthermore, these spectra show that the microlens has good transparency in the wavelength range between 2 and 18 μm. Radiation with wavelengths greater than 18 µm can not be detected with the HgCdTe element used here. In FIG. 6a, a spectrum that is recorded with a microlens according to the invention (dashed curve) is compared with a spectrum that is recorded without a microlens according to the invention (solid curve). Both spectra were measured with a structure as shown in Fig. 5a. Analogous to the spectrum that was taken without a microlens, the microlens spectrum shows no scatter losses in the short-wave range. This is an indication of a very fine, microcrystalline structure of the starting material and of the optical quality of the surfaces of the microlens which are achieved with the material used according to the invention or with the manufacturing method according to the invention. In addition, the absence of additional absorption bands in the spectrum is typical of the crystalline IR fiber, which is produced from a starting material in the form of a solid solution, specifically for the production of micro-optical elements.
In Fig. 6b ist das Transmissionsspektrum einer 4 m langen, polykristal¬ linen AgBrI-Faser mit sphärischem Faserende, wie es beispielsweise mit der Anordnung der Fig. 3 hergestellt und in Fig. 4f gezeigt ist, darge¬ stellt. Die breite, absorptionsfreie, spektrale Transparenz der Faser im Bereich von 4 bis 18 .um ermöglicht Anwendungen, insbesondere in der Spektroskopie, die ansonsten mit herkömmlichen Glasfasern dadurch einge¬ schränkt sind, daß der absorptionsfreie Spektralbereich wesentlich enger ist und nur wenig spektrale Information zur Verfügung steht. Das sphäri¬ sche, unmittelbar auf die Faser aufgepreßte Ende ersetzt Fokussierungs- optiken, vermindert Strahlungsverluste an Übergangsbereichen zwischen einem Faserende und einer Linsenoptik und gestaltet die Faser dadurch wesentlich flexibler. Fig. 7 zeigt schematisch die Anwendung der erfindungsgemäß hergestellten Mikrolinse in der Projektebene eines herkömmlichen Spiegelmikroskops. In diesem IR-Mikroskop, das einen klassischen Aufbau aufweist, ist eine sphärische Mikrolinse 701 zur Verbesserung der Ortsauflösung eingesetzt. Aufgrund der großen Wellenlängen (bis 20 .um) machen sich Beugungsef¬ fekte in der IR-Mikroskopie sehr stark bemerkbar. Sie können sowohl zur Fehlinterpretation der Meßergebnisse als auch zu starken, spektral ab¬ hängigen Intensitätsverlusten führen. Die Mikrolinse 71 führt als Immer¬ sionslinse, mit einem Durchmesser und einem Krümmungsradius von 0,5 mm und einer Dicke von 0,75 mm, die stark gebeugten Strahlen 702 in das Objektiv 703 ein. Sie verringert die spektral abhängigen Intensitätsver¬ luste aufgrund des hohen Brechungsindex des Linsenmaterials (n - 2,2) und verbessert die beugungsbedingte Auflösung um einen Faktor n.FIG. 6b shows the transmission spectrum of a 4 m long, polycrystalline AgBrI fiber with a spherical fiber end, as produced, for example, with the arrangement in FIG. 3 and shown in FIG. 4f. The broad, absorption-free, spectral transparency of the fiber in the range from 4 to 18 .mu.m enables applications, in particular in spectroscopy, which are otherwise restricted with conventional glass fibers in that the absorption-free spectral range is considerably narrower and only little spectral information is available stands. The spherical end, which is pressed directly onto the fiber, replaces focusing optics, reduces radiation losses at transition areas between a fiber end and a lens optic, and thereby makes the fiber much more flexible. 7 schematically shows the use of the microlens produced according to the invention in the project plane of a conventional mirror microscope. In this IR microscope, which has a classic structure, a spherical microlens 701 is used to improve the spatial resolution. Because of the large wavelengths (up to 20 .mu.m), diffraction effects are very noticeable in IR microscopy. They can lead to misinterpretation of the measurement results as well as to strong, spectrally dependent loss of intensity. The microlens 71, as a continuous lens, with a diameter and a radius of curvature of 0.5 mm and a thickness of 0.75 mm, introduces the strongly diffracted beams 702 into the objective 703. It reduces the spectrally dependent intensity losses due to the high refractive index of the lens material (n - 2.2) and improves the diffraction-related resolution by a factor of n.
Ähnlich ist die Wirkung der sphärischen Mikrolinse 801, die in Fig. 8 dargestellt ist, die fest mit einem Detektor 802 verbunden ist. Die Mi¬ krolinse 801 ist mittels einer Haft-Zwischenschicht 803 auf einer Detek- torkontaktierung 804 befestigt. Aufgrund der breiten, spektralen Transpa¬ renz der erfindungsgemäß hergestellten Immersionsmikrolinse 801 wird das Signal-Rausch-Verhältnis eines HgCdTe-Detektorelements 805, das auf einem Trägerkörper 806 angeordnet ist, verbessert, was wiederum zum Beispiel in der IR-Mikrospektroskopie geringere Meßzeiten und eine bessere Ortsauf¬ lösung ermöglicht.The effect of the spherical microlens 801, which is shown in FIG. 8 and is fixedly connected to a detector 802, is similar. The microlens 801 is attached to a detector contact 804 by means of an adhesive intermediate layer 803. Due to the broad spectral transparency of the immersion microlens 801 produced according to the invention, the signal-to-noise ratio of an HgCdTe detector element 805, which is arranged on a carrier body 806, is improved, which in turn shortens measurement times and improves the IR microspectroscopy, for example Spatial resolution enables.
Fig. 9 zeigt eine weitere Möglichkeit des Einsatzes einer kombinierten Mikrolinsenanordnung in Form eines Mikroobjektivs 901, das aus einer Bikonvex-Linse 902 und einer Meniskus-Linse 903 besteht, die in einer Trägerstruktur 904 an ihrem Rand gehalten sind. Diese Linsenkombination verringert den Fokusdurchmesser einer einzelnen, planen Konvex-Linse um einen Faktor 1,7. Aufgrund der breiten, spektralen Transparenz des Aus¬ gangsmaterials, die im Bereich von 0,4 bis 30 .um liegt, kann dieses Objektiv sowohl im sichtbaren Spektralbereich als auch im infraroten Spektralbereich, für die es durchlässig ist, eingesetzt werden. In den Fig. 10a, 10b, 11 und 12 sind weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz von Mikrolinsen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den entsprechenden Materialien hergestellt sind und die in einem Spek¬ tralbereich von 0,4 bis 30 .um durchlässig sind, gezeigt.FIG. 9 shows a further possibility of using a combined microlens arrangement in the form of a micro objective 901, which consists of a biconvex lens 902 and a meniscus lens 903, which are held at their edge in a carrier structure 904. This lens combination reduces the focus diameter of a single, flat convex lens by a factor of 1.7. Because of the wide, spectral transparency of the starting material, which is in the range from 0.4 to 30 .mu.m, this objective can be used both in the visible spectral range and in the infrared spectral range, for which it is transparent. 10a, 10b, 11 and 12 show further possible uses for the use of microlenses which are produced with the corresponding materials by the method according to the invention and which are permeable in a spectral range from 0.4 to 30 .mu.m .
Fig. 10a zeigt eine Ausführung eines Infrarot-Emissions-Mikroskops. Als Probe 1001 wird beispielsweise ein mikroelektronisches Bauelement 1001 auf Silizium-Basis untersucht. Aufgrund der Transparenz der erfindungs¬ gemäß hergestellten Mikrolinsen, insbesondere im langwelligen Spektral- bereich (bis 30 .um), können sehr geringe, lokale Temperaturerhöhungen nachgewiesen werden. Der gewünschte Meßfleck wird auf der Probe 1001 über eine Mikroskopoptik ausgewählt. Anschließend wird die Probe 1001 auf einem beheizbaren, XYZ-Positionierer 1002 in den Fokus des Mikrolinsen- systems 1003 geschwenkt. Das Mi rolinsensystem 1003 besteht aus vier identischen, sphärischen Mikrolinsen mit einem Krümmungsradius und einem Durchmesser von 1 mm und einer Dicke von 0,35 mm. über eine Feldblen¬ de 1004 wird die gewünschte Meßfleckgröße eingestellt. Die Messung wird durchgeführt, indem die Probe 1001 über den XYZ-Positionierer 1002 auf¬ geheizt und der eingestellte Meßfleck abgetastet wird. Damit die emit¬ tierte IR-Strahlung mit ausreichender Empfindlichkeit von einem Stick¬ stoffgekühlten HgCdTe-Detktorelement 1005 nachgewiesen werden kann, wird sie mit einem Chopper 1006 moduliert. Falls in einer solchen Anordnung dickere Mikrolinsen eingesetzt werden, wird aufgrund der höheren numeri¬ schen Apertur eine bessere Ortsauflösung erreicht. Gleichzeitig ver¬ ringert sich jedoch der Abstand zur Probe. Die höchste Auflösung liefert eine Anordnung, bei der die Mikrolinse direkt auf der Probe sitzt.10a shows an embodiment of an infrared emission microscope. For example, a microelectronic component 1001 based on silicon is examined as sample 1001. Because of the transparency of the microlenses produced according to the invention, in particular in the long-wave spectral range (up to 30 .mu.m), very small, local temperature increases can be detected. The desired measuring spot is selected on the sample 1001 using microscope optics. The sample 1001 is then pivoted into the focus of the microlens system 1003 on a heatable, XYZ positioner 1002. The microlens system 1003 consists of four identical, spherical microlenses with a radius of curvature and a diameter of 1 mm and a thickness of 0.35 mm. The desired spot size is set via a field aperture 1004. The measurement is carried out by heating the sample 1001 via the XYZ positioner 1002 and scanning the set measurement spot. So that the emitted IR radiation can be detected with sufficient sensitivity by a nitrogen-cooled HgCdTe detector element 1005, it is modulated with a chopper 1006. If thicker microlenses are used in such an arrangement, a better spatial resolution is achieved due to the higher numerical aperture. At the same time, however, the distance to the sample is reduced. The highest resolution is provided by an arrangement in which the microlens sits directly on the sample.
Fig. 10b zeigt den Aufbau eines Reflexions/Transmissions-IR-Mikroskops. Diese Anordnung kann zur Bestimmung der optischen Eigenschaften wie Re¬ flexion, Transmission und Absorption von Proben 1001 mit einer Inhomo¬ genität auf der Skala weniger Mikrometer benutzt werden, wozu entweder ein Reflexionselement 1007 oder ein Transmissionselement 1008 eingesetzt wird. Die Probe 1001 befindet sich wiederum, entsprechend Fig. 10a, auf einem XYZ-Positionierer 1002. Der gewünschte Meßfleck auf der Probe 1001 wird mit einem Mikroskop ausgewählt. Anschließend wird die Probe 1001 in das Mikrolinsensystem 1003 geschwenkt und in vertikaler Richtung mit der über einen Strahlteiler 1009 in Reflexion 1007 eingekoppelten IR-Inter- fero eterstrahlung auf maximale Intensität an einem Detektorelement 1005 nachjustiert. Analog zum IR-Emissionsmikroskop der Fig. 10a wird der gewünschte Meßbereich abgetastet und in jeder Stellung ein Re¬ flexions- und/oder Transmissionsspektrum aufgenommen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Spiegelmikroskopen sind keine Blenden zur Begrenzung des Meßflecks erforderlich. Die Anzahl der optischen Komponenten beschränkt sich auf drei Mikrolinsen und einen Strahlteiler 1009, wie dies in Fig. 10b zu sehen ist. Die Größe des IR-Mikrolinsenmikroskops wird nur noch durch die Dimension des Positionierers 1002 bzw. des stickstoff¬ gekühlten Detektors 1005 bestimmt. Hierdurch und durch die hohe nume¬ rische Apertur wird der Lichtleitwert, verbessert. Der hohe Lichtleitwert und die Empfindlichkeit des an die Größe des Meßflecks angepaßten Detek¬ torelements 1005 ermöglichen den Betrieb des Mikrolinsenmikroskops mit einem Parallelstrahl 1007, 1008.10b shows the structure of a reflection / transmission IR microscope. This arrangement can be used to determine the optical properties such as reflection, transmission and absorption of samples 1001 with an inhomogeneity on the scale of a few micrometers, for which purpose either a reflection element 1007 or a transmission element 1008 is used. The sample 1001 is in turn, according to FIG. 10a, on an XYZ positioner 1002. The desired measurement spot on the sample 1001 is selected with a microscope. Subsequently, the sample 1001 is pivoted into the microlens system 1003 and readjusted in the vertical direction to the maximum intensity at a detector element 1005 using the IR interfering radiation coupled in via reflection beam 1007 via a beam splitter 1009. Analogously to the IR emission microscope of FIG. 10a, the desired measuring range is scanned and a reflection and / or transmission spectrum is recorded in every position. In contrast to conventional mirror microscopes, no diaphragms are required to limit the measuring spot. The number of optical components is limited to three microlenses and a beam splitter 1009, as can be seen in FIG. 10b. The size of the IR microlens microscope is only determined by the dimension of the positioner 1002 or the nitrogen-cooled detector 1005. This and the high numerical aperture improve the light conductance. The high light conductance and the sensitivity of the detector element 1005, which is adapted to the size of the measurement spot, enable the microlens microscope to be operated with a parallel beam 1007, 1008.
In den Abbildungen 11 und 12 ist eine Beleuchtungs- und Detektionsoptik für flexible Reflexionsmessungen (Fig. 11) bzw. Transmissionsmessungen (Fig. 12) in einem Infrarotspektrometer gezeigt. Diese Anordnungen er¬ möglichen infrarotspektroskopische und infrarotmikroskopische Untersu¬ chungen in Umgebungen, in denen herkömmliche Strahlführungssysteme auf¬ grund der Dimension ihrer empfindlichen Optiken nicht eingesetzt werden können.Figures 11 and 12 show lighting and detection optics for flexible reflection measurements (Fig. 11) and transmission measurements (Fig. 12) in an infrared spectrometer. These arrangements enable infrared spectroscopic and infrared microscopic examinations in environments in which conventional beam guidance systems cannot be used due to the size of their sensitive optics.
Wie die Fig. 11 zeigt, wird in der auf Reflexionsmessungen ausgerichteten Anordnung der parallele IR-Interferometerstrahl 1101 über eine plankon¬ vexe Linse 1102 mit einem Öffnungswinkel von 20° in die Beleuchtungs¬ faser 1103 (Durchmesser 0,7 mm) eingekoppelt und mit einem sphärischen oder asphärischen Faserende 1104 auf die Probe 1105 fokussiert. Das re¬ flektierte Licht wird von einer Detektionsfaser 1106, auf die ebenfalls ein mikrooptisches Einkoppelelement 1107 mit einer Anordnung entsprechend Fig. 3 aufgepreßt ist, erfaßt und auf ein Detektorelement 1108 an dem anderen Ende der Detektionsfaser 1106 gebündelt. Der Öffnungswinkel, mit dem die Probe beleuchtet und das reflektierte Licht aufgesammelt wird, kann über die Krümmung des Faserendes 1104 bzw. das entsprechende, aufge¬ preßte mikrooptische Element eingestellt werden. Für mikroskopische Mes¬ sungen mit parabolischen Faserenden 1104 beträgt der Öffnungswinkel zum Beispiel 60° und der Fokusdurchmesser 40 um. Werden Fasern mit kleine¬ rem Durchmesser eingesetzt, kann der Fokusdurchmesser weiter reduziert werden. Für mikroskopische Untersuchungen ist die Kombination einer Be¬ leuchtungsfaser 1103 mit kleinem Durchmesser (zum Beispiel 0,3 mm) und einer Detektionsfaser 1106 mit größerem Durchmesser (zum Beispiel 1 mm) als bevorzugt anzusehen. Die große Detektionsfaser 1106 sammelt einen größeren Anteil der an der Probe 1105 gebeugten Strahlung auf, wodurch ein höheres Auflösungsvermögen erhalten wird. Sphärische Faserenden mit einem Krümmungsradius von 1,5 mm an dem Faserende 1104 der Beleuchtungs¬ faser 1103, Durchmesser 0,7 mm, fokussieren die Strahlung mit einem Öff¬ nungswinkel von 15°. Der Fokusdurchmesser beträgt dann 500 .um.As shown in FIG. 11, in the arrangement oriented towards reflection measurements, the parallel IR interferometer beam 1101 is coupled into the illumination fiber 1103 (diameter 0.7 mm) via a plano-convex lens 1102 with an aperture angle of 20 ° and with a spherical or aspherical fiber end 1104 focused on the sample 1105. The reflected light is detected by a detection fiber 1106, onto which a micro-optical coupling element 1107 with an arrangement corresponding to FIG. 3 is also pressed, and on a detector element 1108 on the other end of the detection fiber 1106 bundled. The opening angle with which the sample is illuminated and the reflected light is collected can be set via the curvature of the fiber end 1104 or the corresponding pressed-on micro-optical element. For microscopic measurements with parabolic fiber ends 1104, the aperture angle is, for example, 60 ° and the focus diameter is 40 µm. If fibers with a smaller diameter are used, the focus diameter can be reduced further. For microscopic examinations, the combination of an illumination fiber 1103 with a small diameter (for example 0.3 mm) and a detection fiber 1106 with a larger diameter (for example 1 mm) is to be regarded as preferred. The large detection fiber 1106 collects a larger proportion of the radiation diffracted at the sample 1105, whereby a higher resolution is obtained. Spherical fiber ends with a radius of curvature of 1.5 mm at the fiber end 1104 of the illumination fiber 1103, diameter 0.7 mm, focus the radiation with an opening angle of 15 °. The focus diameter is then 500 µm.
Die vorstehenden Ausführungen hinsichtlich der Reflexionsanordnung der Fig. 11 können sinngemäß auf die Transmissionsanordnung in einem Infra¬ rotspektrometer der Fig. 12 übertragen werden. Auch in diesem Fall wird der Interferometerstrahl 1101 über eine Plankonvex-Linse 1102 in eine Beleuchtungsfaser 1103 eingekoppelt und auf die Probe 1105 fokussiert. Die Probe wird durchleuchtet und das transmittierte Licht über eine De¬ tektionsfaser 1106 abgegriffen und dem Detektorelement 1108 zugeführt. Auch in diesem Fall sind die Faserenden 1104 und 1107 in Form von mikro¬ optischen Elementen unmittelbar auf die Enden der Fasern 1103 und 1106 aufgepreßt.11 can be applied analogously to the transmission arrangement in an infrared spectrometer of FIG. 12. In this case too, the interferometer beam 1101 is coupled into an illumination fiber 1103 via a plano-convex lens 1102 and focused on the sample 1105. The sample is illuminated and the transmitted light is tapped via a detection fiber 1106 and fed to the detector element 1108. In this case too, the fiber ends 1104 and 1107 in the form of micro-optical elements are pressed directly onto the ends of the fibers 1103 and 1106.
In den Ausführungsformen 11 und 12 besteht die Möglichkeit, die Detek¬ tionsfaser um einen Winkel &), durch den Pfeil 1109 in Fig. 12 angedeu¬ tet, um den Meßfleck zu drehen. Hierdurch können beispielsweise die Streueigenschaften von Proben 1105 untersucht werden.In embodiments 11 and 12, there is the possibility of indicating the detection fiber by an angle) indicated by arrow 1109 in FIG. 12 in order to rotate the measurement spot. In this way, for example, the scattering properties of samples 1105 can be examined.
In den Fig. 13 bis 18 sind weitere mikrooptische Bauelemente, die am Ende einer Faser angeformt sind, dargestellt. Die Fig. 13a und 13b zeigen die Einkopplung von Strahlung 1303, die von einer Laserdiode 1304 ausgeht, in das Ende 1305 einer Faser 1302, wobei die Faserachse in der Draufsicht der Fig. 13a und der Längsschnittansicht der Fig. 13b mit dem Bezugszeichen 1301 angegeben ist. Das Faserende 1305 bzw. die Einkoppelfläche ist unter einem Winkel <% von 45° zu der Faser¬ achse 1301 angeschnitten. Typischerweise beträgt die Strahlungsdivergenz einer von einer Laserdiode 1304 ausgehenden Strahlung 130340° bis 80° in der einen Richtung bzw. 10° bis 15° in der dazu senkrecht stehenden Rich¬ tung, wie dies in den beiden Darstellungen aus verschiedenen Richtungen der Fig. 13a und 13b ersichtlich ist. Die Länge und die Dicke der aktiven Laserschicht der Laserdiode 1304 beträgt 200 ^um in der einen Richtung bzw. 1 .um in der dazu senkrecht stehenden Richtung. Die zylindrische Oberfläche der Faser 1302 und das unter 45° geschnittene Faserende 1305 formen die divergente Laserstrahlung in nahezu paralleles Licht innerhalb der Faser 1302 um. Weiterhin verhindert ein so geformtes Faserende 1305 die Rückkopplung von reflektiertem Licht in die aktive Schicht der Laser¬ diode 1304; eine solche Rückkopplung würde ansonsten den Mode und die Frequenz des emittierten Lichts zerstören. Auch in diesem Anwendungsfalls ist der breite, durchlässige Spektralbereich der erfindungsgemäß herge¬ stellten Faser 1302 von Vorteil.13 to 18 show further micro-optical components which are molded onto the end of a fiber. 13a and 13b show the coupling of radiation 1303, which emanates from a laser diode 1304, into the end 1305 of a fiber 1302, the fiber axis being indicated by the reference symbol 1301 in the top view of FIG. 13a and the longitudinal sectional view of FIG. 13b is. The fiber end 1305 or the coupling surface is cut at an angle <% of 45 ° to the fiber axis 1301. Typically, the radiation divergence of a radiation 130340 ° to 80 ° in one direction or 10 ° to 15 ° in the direction perpendicular to it, emanating from a laser diode 1304, as shown in the two representations from different directions in FIGS. 13a and 13a 13b can be seen. The length and the thickness of the active laser layer of the laser diode 1304 is 200 μm in one direction and 1 μm in the direction perpendicular thereto. The cylindrical surface of the fiber 1302 and the fiber end 1305 cut at 45 ° transform the divergent laser radiation into almost parallel light within the fiber 1302. Furthermore, a fiber end 1305 shaped in this way prevents the feedback of reflected light into the active layer of the laser diode 1304; such feedback would otherwise destroy the mode and frequency of the light emitted. The broad, permeable spectral range of the fiber 1302 produced according to the invention is also advantageous in this application.
Die Fig. 14a und 14b zeigen einen ähnlichen Anwendungsfall wie die Fig. 13a und 13b mit einer Draufsicht auf das Faserende 1405 und einer Schnittansicht durch die Faser 1402 entlang der Faserachse 1401. Das Faserende 1405 ist in Form einer konischen Spitze ausgeführt, wie die Schnittansicht der Fig. 14b zeigt. Falls der halbe Öffnungswinkel des konischen Faserendes 1405 weniger oder gleich L - 3174 beträgt, kann ein so geformtes mikrooptisches Element als total reflektierendes Faser¬ ende 1405 eingesetzt werden, wie durch den Strahlverlauf 1403 in der Fig. 14b angedeutet ist. Ein solches optisches Element wäre beispiels¬ weise zur Verlängerung des optischen Wegs in ATR-Fasersensoren (ATR - Attenated Total Reflection - Abgeschwächte Totalreflexion) geeignet. Eine Mehrfachanordnung konzentrischer Konusringe ist in den Fig. 15a und 15b dargestellt, wobei wiederum der halbe Öffnungswinkel des konischen Faserendes 1505 der Faser 1502 unter einem Öffnungswinkel & zu der Fa¬ serachse 1501 weniger als . JA beträgt, so daß verschiedene Strahlen 1503 an den Konusringen 1504 total reflektiert und in die Faser 1502 zurück¬ reflektiert werden.14a and 14b show a similar application to FIGS. 13a and 13b with a top view of the fiber end 1405 and a sectional view through the fiber 1402 along the fiber axis 1401. The fiber end 1405 is designed in the form of a conical tip, like the sectional view 14b shows. If the half opening angle of the conical fiber end 1405 is less than or equal to L-3174, a micro-optical element shaped in this way can be used as the totally reflecting fiber end 1405, as indicated by the beam path 1403 in FIG. 14b. Such an optical element would be suitable, for example, for extending the optical path in ATR fiber sensors (ATR - Attenated Total Reflection - attenuated total reflection). A multiple arrangement of concentric cone rings is shown in FIGS. 15a and 15b, again with half the opening angle of the conical fiber end 1505 of the fiber 1502 at an opening angle zu to the fiber axis 1501 less than. YES, so that different rays 1503 are totally reflected at the cone rings 1504 and reflected back into the fiber 1502.
Ein mikrooptisches Faserelement 1602 ist an seinem Faserende 1605 unter einem Winkel 00 zur Faserachse 1601 sowohl eingangsseitig als auch aus¬ gangsseitig der Strahlung 1603 angeschnitten. In der Einfallsebene pola¬ risierte Strahlung 1603 fällt unter einem Winkel i - 2 arctan n - 3T/2 zur Faserachse 1601 auf das schräge Faserende 1605 ein, wobei das Faser¬ ende 1605 unter einem Winkel von k% - arctan n zur Faserachse 1601 ange¬ schnitten ist. In dieser Anordnung wird das in der Einfallsebene polari¬ sierte Licht reflexionsfrei in die Faser 1602 ein- und ausgekoppelt. Auch ein solcher Anwendungsfall ist mit einer erfindungsgemäß hergestellten Faser 1602 dann von Vorteil, wenn ein breitbandiger, spektraler Durch¬ gangsbereich, d.h. ein Durchlaßbereich zwischen 0,4 bis 30 .um, gefor¬ dert wird.A micro-optical fiber element 1602 is cut at its fiber end 1605 at an angle 00 to the fiber axis 1601 both on the input side and on the output side of the radiation 1603. Radiation 1603 polarized in the plane of incidence is incident on the oblique fiber end 1605 at an angle i-2 arctan n-3T / 2 to the fiber axis 1601, the fiber end 1605 being incident at an angle of k% arctan n to the fiber axis 1601 ¬ is cut. In this arrangement, the light polarized in the plane of incidence is coupled into and out of the fiber 1602 without reflection. Such an application is also advantageous with a fiber 1602 produced according to the invention if a broadband, spectral passband, i.e. a pass range between 0.4 to 30 .mu.m is required.
In den Fig. 17a und 17b ist eine Anordnung zur gleichzeitigen Einkopplung von Strahlung 1703, die von einer Vielzahl von Laserdioden 1704 abgegeben wird, die radial zu der Achse 1701 einer Faser 1702 angeordnet sind, dargestellt. Das Faserende 1705 der Faser 1702 weist eine konische Aus¬ nehmung oder Vertiefung auf, die mit einem Öffnungswinkel Ä, von 45° zur Faserachse 1701 dargestellt ist. Die einzelnen Laserdioden 1704 können Strahlung 1703 mit unterschiedlicher Wellenlänge abgeben, die über das total reflektierende Faserende 1705 in das Innere der Faser 1702 einge¬ koppelt werden. Die stark divergierende Strahlung der Laserdioden 1704 verläuft in der Faser 1702, aufgrund der Umformung an der zylinderförmi- gen Faseroberfläche, nahezu parallel, wie durch die Strahlen 1703 im Innern der Faser 1702 schematisch angedeutet ist. Eine solche Anordnung ist insbesondere für die Laserspektroskopie von Bedeutung. In den Fig. 18a bis 18b sind verschiedene strahlungsteilende, plane Fa¬ serenden 1805, ähnlich der Ausführung der Fig. 17a und 17b, gezeigt, in die die Strahlung 1803 einzelner Laserdioden 1804 eingekoppelt werden. In umgekehrter Richtung können so geformte Faserenden auch als Strahlteiler benutzt werden. Hierbei stellt die Fig. 18d einen Strahlteiler mit un¬ gleichmäßig aufgeteilten, ausgekoppelten Strahlungsintensitäten dar. Die Auskopplung von spektraler Breitbandstrahlung auf Detektoren mit unter¬ schiedlich starker Empfindlichkeit ist eine weitere, mögliche Anwendung der in den Abbildungen 18a bis 18d dargestellten Faserenden.17a and 17b show an arrangement for the simultaneous coupling of radiation 1703 which is emitted by a plurality of laser diodes 1704 which are arranged radially to the axis 1701 of a fiber 1702. The fiber end 1705 of the fiber 1702 has a conical recess or depression, which is shown with an opening angle A of 45 ° to the fiber axis 1701. The individual laser diodes 1704 can emit radiation 1703 with different wavelengths, which are coupled into the interior of the fiber 1702 via the totally reflecting fiber end 1705. The strongly diverging radiation from the laser diodes 1704 runs almost parallel in the fiber 1702, owing to the deformation on the cylindrical fiber surface, as indicated schematically by the rays 1703 in the interior of the fiber 1702. Such an arrangement is particularly important for laser spectroscopy. 18a to 18b show various radiation-dividing, plane fiber ends 1805, similar to the embodiment of FIGS. 17a and 17b, into which the radiation 1803 of individual laser diodes 1804 are coupled. In the opposite direction, fiber ends shaped in this way can also be used as beam splitters. 18d represents a beam splitter with unevenly divided, coupled out radiation intensities. The coupling out of spectral broadband radiation on detectors with different levels of sensitivity is a further possible application of the fiber ends shown in FIGS. 18a to 18d.
Eine weitere Anwendung ist in Fig. 19 gezeigt; sie zeigt die Kopplung zweier Fasern 1901 und 1902 an ein Faserende 1903 einer Faser 1902. Die zweiteilige Vertiefung 1904, die symmetrisch zur Faserachse 1905 ver¬ läuft, dient als jeweilige Reflexionsfläche, um die Strahlung 1906 in die jeweiligen Fasern 1901 und 1902 einzukoppeln. Another application is shown in Fig. 19; it shows the coupling of two fibers 1901 and 1902 to a fiber end 1903 of a fiber 1902. The two-part depression 1904, which runs symmetrically to the fiber axis 1905, serves as a respective reflecting surface in order to couple the radiation 1906 into the respective fibers 1901 and 1902.

Claims

P a t e n t a n m e l d u n g"Verfahren zur Herstellung von mikrooptischen Elementen oder eines Faserendes in Form eines mikrooptischen Elements und Verwendung solcher Elemente"Patentansprüche Patent application "Process for the production of micro-optical elements or a fiber end in the form of a micro-optical element and use of such elements" claims
1. Verfahren zur Herstellung von mikrooptischen Elementen oder eines Faserendes in Form eines mikrooptischen Elements, wobei ein Ausgangs¬ material in eine Form des mikrooptischen Elements gebracht wird, da¬ durch gekennzeichnet, daß für die Herstellung von mikrooptischen Ele¬ menten mit einem Spektralbereich von 0,4 bis 30 .um eine kristal¬ line oder polykristalline Faser oder ein Abschnitt von dieser, die im wesentlichen in diesem Spektralbereich absorptionsfrei ist, die aus einem Ausgangsmaterial einer festen Lösung hergestellt ist, in die Form gebracht wird.1. A process for the production of micro-optical elements or a fiber end in the form of a micro-optical element, a starting material being brought into a form of the micro-optical element, characterized in that for the production of micro-optical elements with a spectral range of 0 , 4 to 30. Around a crystalline or polycrystalline fiber or a section thereof, which is essentially absorption-free in this spectral range and which is produced from a starting material of a solid solution, is brought into the mold.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangs¬ material eine feste Lösung mit kubischer KristallStruktur in die Form gebracht wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that a solid solution with a cubic crystal structure is brought into the mold as the starting material.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern oder Faserabschnitte mit einem Durchmesser zwischen 50 .um und 3 mm bereitgestellt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that fibers or fiber sections with a diameter between 50 .um and 3 mm are provided.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern oder Faserabschnitte mit elliptischem Querschnitt bereit¬ gestellt werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that fibers or fiber sections with an elliptical cross section are provided.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern oder Faserabschnitte mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt bereitgestellt werden.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that fibers or fiber sections are provided with a square or rectangular cross section.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial in eine Preßform eingelegt und unter Druck¬ beaufschlagung in seine Form gebracht wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the starting material is placed in a mold and brought into its shape under pressure.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck¬ beaufschlagung parallel und/oder senkrecht zur Achse der Faser oder des Faserabschnitts erfolgt.7. The method according to claim 6, characterized in that the Druck¬ applied parallel and / or perpendicular to the axis of the fiber or the fiber section.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Pressen das Ausgangsmaterial einer Wärmebehandlung unterworfen wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the starting material is subjected to a heat treatment during pressing.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Preßdruck kleiner als die Zerreißfestigkeit der Fasern ange¬ wandt wird.9. The method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that a compression pressure less than the tensile strength of the fibers is applied.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Preßdruck größer als die Formänderungsfestigkeit der Faser angewandt wird.10. The method according to any one of claims 6 to 9, characterized in that a compression pressure greater than the deformation resistance of the fiber is applied.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während des Pressens eine Umgebungsatmosphäre aufrechterhalten wird, die gegenüber dem Fasermaterial bei der Verformungstemperatur inert ist. 11. The method according to any one of claims 6 to 10, characterized in that an ambient atmosphere is maintained during the pressing, which is inert to the fiber material at the deformation temperature.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung derart durchgeführt wird, daß die Defor¬ mationsgeschwindigkeit während der Druckbeaufschlagung auf die Faser oder den Faserabschnitt geringer als das 0,1-fache der Schallge¬ schwindigkeit in dem Fasermaterial ist.12. The method according to any one of claims 6 to 11, characterized in that the pressurization is carried out in such a way that the Defor¬ tion speed during the pressurization on the fiber or the fiber section is less than 0.1 times the speed of sound in the fiber material is.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, daduch gekennzeichnet, daß die Fasern oder Faserabschnitte in eine Preßform eingesetzt werden, die gegenüber dem Ausgangsmaterial bei der Bearbeitungs¬ temperatur inert ist und die bei Anwendung des Preßdrucks nicht ver¬ formt wird.13. The method according to any one of claims 6 to 12, characterized in that the fibers or fiber sections are used in a press mold which is inert to the starting material at the processing temperature and which is not deformed when the press pressure is applied.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial mit einem Messer und/oder einem Zerspanungs¬ werkzeug in seine Form gebracht wird.14. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the starting material is brought into its shape with a knife and / or a Zerspanungs¬ tool.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Messer und/oder Zerspanungswerkzeug ein Material eingesetzt wird, das gegen¬ über dem Ausgangsmaterial inert ist und bei der Bearbeitung des Aus¬ gangsmaterials nicht verformt wird.15. The method according to claim 13, characterized in that a material is used as a knife and / or cutting tool, which is inert towards the starting material and is not deformed during processing of the starting material.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial eine feste Lösungen aus: x,: AgCl in einer Konzentration (0-1001) x2: AgBr in einer Konzentration (0-1001) x3: AgI in einer Konzentration (0- 101)16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that the starting material is a solid solutions of: x,: AgCl in a concentration (0-1001) x 2 : AgBr in a concentration (0-1001) x 3 : AgI in a concentration (0- 101)
mit x- + x2 + x3 - 1001with x- + x 2 + x 3 - 1001
eingesetzt wird.is used.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ZnSe, KRS-5, Csl, BaF2, A1203, CaF2,17. The method according to any one of claims 1 to 16, characterized in that as the starting material ZnSe, KRS-5, Csl, BaF 2 , A1 2 0 3 , CaF 2 ,
NaCl, KC1, KBr, TIBr und/oder CsBr eingesetzt wird. NaCl, KC1, KBr, TIBr and / or CsBr is used.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf das geformte, mikrooptische Element eine Antireflexions¬ beschichtung aufgebracht wird.18. The method according to any one of claims 1 to 17, characterized in that an antireflection coating is applied to the shaped, micro-optical element.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein mikrooptisches Element in Form eines ein Gitter hergestellt wird.19. The method according to any one of claims 1 to 18, characterized in that a micro-optical element is produced in the form of a grating.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein mikrooptisches Element in Form einer Mikro-Fresnellinse her¬ gestellt wird.20. The method according to any one of claims 1 to 18, characterized in that a micro-optical element in the form of a micro Fresnel lens is manufactured.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein mikrooptisches Element in Form einer Zylinderlinse her¬ gestellt wird.21. The method according to any one of claims 1 to 18, characterized in that a micro-optical element is manufactured in the form of a cylindrical lens.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein mikrooptisches Element in Form eines Zylinders mit einer ersten, sphärischen, parabolischen, hyperbolischen oder Mehrfach-An- ordnung von sphärischen und/oder parabolischen und/oder hyper¬ bolischen optischen Oberflächen und einer zweiten, planen, sphäri¬ schen, parabolischen, hyperbolischen oder Mehrfachanordnung von sphärischen und/oder parabolischen und/oder hyperbolischen optischen Oberfläche hergestellt wird, wobei die erste und die zweite Ober¬ fläche einen Abstand zueinander haben, der größer als dem 0,1-fachen des Durchmessers der eingesetzten Faser oder des eingesetzten Faser¬ abschnitts ist.22. The method according to any one of claims 1 to 18, characterized in that a micro-optical element in the form of a cylinder with a first, spherical, parabolic, hyperbolic or multiple arrangement of spherical and / or parabolic and / or hyper¬ bolical optical Surfaces and a second, planar, spherical, parabolic, hyperbolic or multiple arrangement of spherical and / or parabolic and / or hyperbolic optical surface is produced, the first and second surfaces being at a distance from one another which is greater than the 0th Is 1 times the diameter of the fiber or fiber section used.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite optische Oberfläche unter einem Winkel von Oi - arctan n, zur optischen Achse verlaufend gebildet wird, wobei 06- der Winkel zwischen der Ebene der Oberfläche und der Faserachse ist und wobei n der Brechungsindex des Fasermaterials ist. 23. The method according to claim 22, characterized in that the first and the second optical surface is formed at an angle of Oi - arctan n, extending to the optical axis, where 06- is the angle between the plane of the surface and the fiber axis and wherein n is the refractive index of the fiber material.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite optische Oberfläche unter einem Winkel von24. The method according to claim 22, characterized in that the first and / or the second optical surface at an angle of
0. ■ 45° zur optischen Achse verlaufend gebildet wird, wobei Λ. der Winkel zwischen der Ebene der Oberfläche und der Faserachse ist.0. ■ 45 ° to the optical axis is formed, with Λ. is the angle between the plane of the surface and the fiber axis.
25. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite optische Oberfläche als Vertiefung ausgebildet ist und in mindestens zwei plane Flächen unterteilt ist.25. The method according to claim 22, characterized in that the first and / or the second optical surface is formed as a recess and is divided into at least two flat surfaces.
26. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite optische Oberfläche mit einer konischen Vertie¬ fung ausgebildet ist, deren Halbwinkel geringer oder gleich X/4 ist.26. The method according to claim 22, characterized in that the first and / or the second optical surface is formed with a conical recess, the half angle of which is less than or equal to X / 4.
27. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Oberfläche mit einer konischen Spitze und/oder mehreren konzentrisch angeordneten Konusringen ausgebildet ist, deren Halbwinkel geringer oder gleich #74 sind.27. The method according to claim 22, characterized in that the one surface is formed with a conical tip and / or a plurality of concentrically arranged cone rings, the half angles of which are less than or equal to # 74.
28. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22 hergestellten, mikrooptischen Elements zur Fokussierung von Laser- und spektraler Breitbandstrahlung.28. Use of a micro-optical element produced by the method according to one of claims 20 to 22 for focusing laser and spectral broadband radiation.
29. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22 hergestellten, mikrooptischen Elements als optisches Bauteil für Mikroobjektive.29. Use of a micro-optical element produced by the method according to one of claims 20 to 22 as an optical component for micro-objectives.
30. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22 hergestellten, mikroopitschen Elements als Bauteil in einem Infrarot-Spektrometer.30. Use of a micro-optical element produced by the method according to one of claims 20 to 22 as a component in an infrared spectrometer.
31. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 hergestellten, mikrooptischen Elements als optisches Bauteil in einem Infrarot-Mikroskop. 31. Use of a micro-optical element produced by the method according to one of claims 1 to 22 as an optical component in an infrared microscope.
32. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß Anspruch 23 hergestellten, mikrooptischen Elements zur reflexionsfreien Transmission von Licht, das in der Einfallsebene polarisiert ist und unter dem Winkel i ■ 2 arctan (n) - 31/2 zur Faserachse auf das mikrooptische Element einfällt.32. Use of a micro-optical element produced by the method according to claim 23 for the reflection-free transmission of light which is polarized in the plane of incidence and is incident on the micro-optical element at an angle i 2 arctan (n) - 31/2 to the fiber axis.
33. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 26 hergestellten, mikrooptischen Elements zur U lenkung und Ein¬ kopplung bzw. Auskopplung von Laserstrahlung oder spektraler Breit¬ bandstrahlung in bzw. aus einem Faserende.33. Use of a micro-optical element produced by the method according to one of claims 24 to 26 for deflecting and coupling or decoupling laser radiation or spectral broadband radiation into or from a fiber end.
34. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß Anspruch 27 hergestellten, mikrooptischen Elements zur internen Reflexion von Laserstrahlung oder spektraler Breitbandstrahlung, die in der Faser transport ert wird. 34. Use of a micro-optical element produced by the method according to claim 27 for internal reflection of laser radiation or spectral broadband radiation which is transported in the fiber.
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