Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abbilden eines objektseitigen Satzes von zueinander parallel verlaufenden Strahlbündeln auf eine Bildfläche.

Hintergrund

Es gibt Anwendungsfälle, in welchen Licht aus einer Vielzahl optischer Quellen, die durch mehrere optische Fasern bereitgestellt sein können, auf sehr kleine Gegenden in einer Bildebene gerichtet werden soll. Ein Bespiel dafür ist Quanten-Computing, wo die Lichtstrahlen auf Ionen gerichtet werden, die in geeigneten lonenfallen befindlich sind. Der lonenabstand liegt bei wenigen Mikrometern. Eine Wellenlänge des verwendeten Lichts hängt von den Spezifika der verwendeten Ionen ab und liegt in der Regel im Bereich von UV bis NIR. Die Abstände der Ionen in einer Falle hängen von verschiedenen Parametern ab. Deutliche Änderungen der lonenabstände ergeben sich bei einer Beladung der Falle mit unterschiedlichen lonenzahlen. Geringfügige Änderungen treten bspw. durch Störfelder in der Falle auf. Das Richten der Strahlen auf Gegenden in der lonenfallenebene sollte deshalb variabel einstellbar sein, und das bei gleichzeitiger hochpräziser Nachführbarkeit der Fokusposition.

Ähnliche Problemstellungen treten aber auch bei anderen Technikgebieten auf, wie z.B. bei der optischen Datenkommunikation.

Eine einfache Variante der Adressierung von unterschiedlichen Ionen besteht in der Verwendung einer einzelnen Quelle und einer sequentiellen Adressierung der einzelnen Ionen, wie sie beschrieben ist bei: Grain, S. et al., „Individual addressing of trapped 171Yb+ Ion qubits using a microelectromechanical systems-based beam steering System,“ Applied Physics Leiters, pp. 181115, 1-4, 2014. Bei wachsenden lonenzahlen wird der sequentielle Betrieb jedoch zum Engpass für das schnelle Ausführen von Qubit- Operationen an verschiedenen lonenpositionen. Des Weiteren führt die Erweiterung des Schemas zu größeren lonenzahlen zu einer Vergrößerung der Zwischenbildebene, wie ebenfalls bei Grain, S. et al., bzw. Knoemschild, C. et al.,„MEMS-based optical beam steering System for quantum Information Processing in two-dimensional atomic Systems,“ Optics Lotters, pp. 273-275, 2008. beschrieben, und damit zu wachsenden Ansprüchen an die nachfolgende abbildende Optik.

Mit MEMS-Spiegel-Arrays können Positionen mehrkanaliger Eingänge Zielpositionen in einer Empfängerebene zugeordnet werden. In Faserschalteraufbauten werden für die zu realisierenden 1 :1 Abbildungen in den eingangs- und ausgangsseitigen Kanälen typischerweise Kollimations- und identische Fokussierlinsen verwendet. Dabei bewirkten Spiegelarrays, dass für beliebige Eingangs- zu Ausgangszuordnungen das Bündel ausgangsseitig eine entsprechende Kanalposition mittig und senkrecht trifft. Das bedarf einer vorgegebenen, fixierten Positionierung der ausgangsseitigen Spiegel entsprechend einer fixen Anordnung der Ausgangskanäle. Folglich sind variable Positionen von Ausgangskanälen daher schwerlich erzielbar mit derartigen Aufbauten.

Ausgehend von festen eingangsseitigen Quellpositionen in einem Faserarray kann ein MEMS-Spiegel-Array in Verbindung mit nachgeordneten optischen Elementen zur Adressierung von lonenpositionen verwendet werden, ohne dass eine Zwischenabbildung Verwendung findet; vergleiche bei Rickert, J.,„Simultaneous and individual ion addressing for quantum Information Processing,“ Leopold-Franzens-Universität Innsbruck, Institute of Experimental Physics, 2018. Dabei wird ein von der Faser ausgehendes kollimiertes Bündel aufgeweitet. Das nachfolgende Objektiv transformiert das Bündel in seiner Fokalebene in eine den Anforderungen der Abbildungsaufgabe angepasste Gaußtaille. Eine Quellposition außerhalb einer optischen Achse ebenso wie eine Neigung zu der optischen Achse, die eine gewünschte Positionsverschiebung in der Fokalebene realisiert, führt aber zu Einbußen in der Transmission, wenn die Optiken nicht weit geöffnet sind. Damit sind Ansätze, bei denen ein Optikdurchmesser per se mit der Kanalzahl skaliert werden muss, nicht geeignet, da die Kanalzahl so von vornherein beschränkt bleibt, wenn die Größe einer optischen Vorrichtung begrenzt ist.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine eine optische Vorrichtung zum Abbilden eines ersten, objektseitigen Satzes von zueinander parallel verlaufenden Strahlbündeln auf eine Bildfläche zu schaffen, sodass eine Einsteilbarkeit der Orte in der Bildfläche, auf die die Abbildung geschieht, leichter, falls gewünscht auch in Form einer Verstellbarkeit durch besipielsweise mechanische Komponenten, und/oder in einer Form, die eine leichtere Skalierbarkeit auf eine höhere Anzahl von Strahlbündeln, realisierbar ist.

Eine Lösung der Aufgabe gelingt mit einer optischen Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

Ein Kemgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein hinsichtlich Abbildungsorten und/oder Strahlbündelanzahl effektiveres Konzept zum Abbilden eines ersten, objektseitigen Satzes von Strahlbündeln auf eine Bildfläche erzielbar Ist, wenn die Strahlenbündel eingangsseitig parallel verlaufend bereitgestellt werden und eine Umordnung der Strahlbündel unter Beibehaltung der Parallelität noch vor der Strahlaufweitung mit anschließender Abbildungsoptik geschieht, und wenn der Übergang zwischen den umgeordneten Strahlbündeln zu der Strahlaufweitung über eine optisches Element erfolgt, dass die umgeordneten Strahlbündel durch Bündelung auf die Strahlaufweitungsoptik richtet, also durch eine gegenseitige Überlagerung, so dass die Strahlaufweitungsoptik mit anschließender Abbildungsoptik in einer Form implementierbar sind, die im Wesentlichen von einer Anzahl und/oder einer Umordnung der Strahlbündel unabhängig ist. Das mündet in eine optische Vorrichtung zum Abbilden eines ersten, objektseitigen Satzes von zueinander parallel verlaufenden Strahlbündeln, beispielsweise jeweils aus einem Glasfaserende stammend, auf eine Bildfläche, beispielsweise mit einer Strahlaufweitungsoptik; einer optische Umordnungseinheit, die ausgebildet ist, den ersten Satz von zueinander parallelen Strahlbündeln unter Beibehaltung der Parallelität zueinander umzuordnen, um einen zweiten Satz von zueinander parallelen Strahlbündeln zu erhalten; einem optischen Element, das ausgebildet ist, den zweiten Satz von einem oder mehreren Strahlbündeln durch Bündelung auf die Strahlaufweitungsoptik zu richten, so dass die Strahlaufweitungsoptik von einem dritten Satz von Strahlbündeln erreicht wird, wobei die Strahlaufweitungsoptik ausgebildet ist, jedes Strahlbündel des dritten Satzes aufzuweiten, um einen vierten Satz von aufgeweiteten Strahlbündeln zu erhalten; und einer Abbildungsoptik, z.B. ein Objektiv, die ausgebildet ist, den vierten Satz von aufgeweiteten Strahlbündeln auf eine Bildfläche bzw. eine Bildebene abzubilden.

In anderen Worten ausgedrückt ermöglichen Ausführungsbeispiele die Erzielung einer hochpräzisen optischen Zuordnung von einer Vielzahl von eingangsseitigen Lichtquellpunkten zu ausgangsseitigen Zielpunkten, wobei Ziel· und oder Endpunkte, die im Wesentlichen in jeweils einer Ebene ängeordnet sein können, in dieser, d.h. also in transversaler Richtung, nicht notwendig ortsfest sind und die Abstandsverhältnisse von Quell- und Zielpunkten eine deutlich abstandsvergrößemde oder abstandsverkleinemde Abbildung erfordern können.

Beispielsweise kann für jeden Kanal eingangsseitig mit einem Kollimator, beispielsweise einer Sammellinse ein in strahlenoptischem Sinne schwach konvergentes bzw. schwach divergentes Bündel erzeugt werden. Der Kollimator fängt beispielsweise stark divergentes Licht einer optischen Quelle ein und erzeugt einen Strahl mit reduzierter Divergenz. In den Kanälen entstehen so gegenseitig parallele Strahlbündel mit geringer Divergenz.

Diese Strahlbündel können über eine geeignete Umlenkeinrichtung individuell so umgelenkt werden, dass sie, als Mehrzahl von zueinander parallelen schwach divergenten Bündeln, auf ein abbildendes optisches Element, wie z.B. eine Sammellinse oder einen Parabolspiegel, treffen.

Für diese Mehrzahl an weitgehend parallelen schwach konvergenten bzw. schwach divergenten Bündeln ergeben sich beispielsweise durch individuelle Auftrefforte auf dem abbildenden optischen Element verschiedene Ausfallswinkel der Bündel, sodass diese sich in einer Fokalebene des optischen Elements weitgehend überlagern, wie zum Beispiel in einer in der Fokaleben liegenden Scheibe, wobei die Bündel ihre Nicht- Kollimiertheit bzw. Konvergenz bzw. Divergenz auch im strahlenoptischen Sinn durch das abbildende optische Element nicht verlieren, sondern In der Fokalebene ihren Bündelcharakter beibehalten und nicht jeweils in einem Punkt zusammenfallen.

Mit einer Strahlaufweitungsoptik, die beispielsweise als Teleskop ausgeführt wird, können die Bündelquerschnitte aufgeweitet werden. Eingangsseitig sollte die Strahlaufweitungsoptik eine Größe haben, die wenigstens dem 1 ,5-fachen der übereinanderfallenden Bündeldurchmesser entspricht. Ausgangsseitig kann die Größe der Strahlaufweitungsoptik zum einen minimiert werden durch ihre Ausrichtung entsprechend einer optischen Achse, die sich durch die Ausbreitungsrichtung eines zentralen Bündels nach dem abbildenden optischen Element ergibt, und zum anderen durch ihren Abstand vom abbildenden optischen Element, der sich im Falle eines Teleskops zur Strahlaufweitung aus der Brennweite des abbildenden optischen Elements und der Brennweite einer eingangsseitigen Linse im Teleskop ergibt. Dabei kann der aus dem Abstand der Quellpunkte untereinander und dem Abstand der Zielpunkte untereinander - bei nicht äquidistanten Abständen jeweils angepassten Mittelwerten - resultierende notwendige Vergrößerungsmaßstab über die Verhältnisse von Objektivbrennweite und Brennweite des abbildenden optischen Elements sowie über einen Vergrößerungsfaktor der Strahlaulweitung eingestellt, und gleichzeitig der ausgangsseitig an der Strahlaufweitungsoptik bzw. eingangsseitig am Objektiv vorliegende Bündeldurchmesser durch die Anpassung der Divergenz der Eingangsbündel an die gegebenen Erfordernisse angepasst werden.

Weitere Ausführungsbeispiele und weitere vorteilhafte Aspekte der optischen Vorrichtung sind In den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt. Die im folgenden diskutierten Effekte und Vorteile der Merkmale der Ausführungsbeispiele treffen im gleichen Maße auf einzelne Gruppen von optischen Elementen der optischen Vorrichtung, wie auf die optische Vorrichtung als Ganzes zu und sind untereinander austauschbar und/oder miteinander verknüpfbar.

Vorteilhafter Weise umfasst die optische Vorrichtung eine Quelle für jedes Strahlbündel des ersten Satzes von Strahlbündeln, aus der das jeweilige Strahlbündel auf die optische Umordnungseinheit trifft.

Bevorzugt werden Monomodefasem als Quelle eines Strahlbündels verwendet. Allerdings können im Sinne anderer Ausführungsbeispiele Multimodequellen verwendet werden, obgleich dann auch laterale Dimensionen für eine Kollimation deutlich größer werden. Beispielsweise kann als Kollimator für eine Monomodefaser eine Gradientenindex-Linse verwendet werden.

Bei noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die optische Vorrichtung zum Erzeugen schwach konvergenter oder divergenter Strahlbündel einen Kollimator für jedes Strahlbündel des ersten Satzes von Strahlbündeln, durch das das jeweilige Strahlbündel in Richtung der optischen Umordnungseinheit tritt. Eine Kollimationslinse fängt die stark divergierende Laserleistung, beispielsweise von einer optischen Faser ein und erzeugt einen Strahl mit reduzierter Divergenz, was wiederum moderate Ausbreitungsstrecken ermöglicht. Vorteilhafterweise ist das optische Element der optischen Vorrichtung ausgebildet, parallel zu dem zweiten Satz von Strahlbündeln einfallendes Licht auf einen Punkt in, oder um einen Abstand kleiner als einem zweifachen einer Brennweite eines eingangsseitigen optischen Elements der Strahlaufweitungsoptik vor oder nach, dem eingangsseitigen optischen Element zu bündeln. Dabei überlagern sich die Strahlbündel des dritten Satzes von Strahlbündeln aufgrund ihrer noch bestehenden Konvergenz bzw. Divergenz an dem Punkt in einem vorbestimmten Bereich, wie z.B. einem Kreis. In anderen Worten ausgedrückt behalten die in dem vorbestimmten Bereich in der Fokalebene sich gegenseitig überlagernden Bündel wegen ihrer Konvergenz bzw. Divergenz auch im strahlenoptischen Sinn Bündelcharakter und fallen nicht jeweils in einem Punkt zusammen. Jedes Bündel, das das optische Element durchlaufen hat, um sich mit den anderen zu überlagern, ist vorzugsweise schwach divergent und trifft so auf die Strahlaufweitungsoptik. Die in verschiedenen Abständen zur Achse und parallel zueinander auf das optische Element zulaufenden Strahlenbündel werden durch das optische Element abgelenkt und überlagern sich in der Brennweite des optischen Elements. Die ursprüngliche Positionen/Orientierungen, also verschiedene transversale Orte und gleicher Winkel - achsenparalleler Strahlbündel - werden durch das optische Element also in einen Satz von Bündeln übertragen, die an der Fokalebene des optischen Elements gleichen Ort aufweisen, aber sich hinsichtlich ihrer Winkel bzw. Richtungen unterscheiden.

Die Quellen der Strahlbündel können ein- oder auch zweidimensional angeordnet sein und die Umordnung kann ein- oder zwei-dimensional gestaltet werden.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der vorerwähnte Abstand der Fokaleben des optischen Elements, an welchem die Überlagerung stattfindet, zwischen einem 0,5- und einem 1 ,5-fachen der Brennweite des eingangsseitigen optischen Elements.

Bei einem noch bevorzugteren Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen 0,5 und 1 ,5 mal f _T1 + D, mit wobei f _T1 die Brennweite des eingangsseitigen optischen Elements und f _T2 die Brennweite des ausgangsseitigen optischen Elements der Strahlaufweitungsoptik ist, die zusammen ein Teleskop bilden.

Mit der vorerwähnten Überlagerung der Bündel vor dem eingangsseitigen optischen Element der Strahlaufweitungsoptik ergibt sich eine effektive Überlagerung der Ausleuchtung des ausgangsseitigen optischen Elements mit der damit verbundenen Möglichkeit letzteres auch bei großer Strahlbündelanzahl klein zu gestalten.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Abbildungsoptik einen Durchmesser auf, der größer oder gleich einem 1 ,5-fachen eines Querschnitts eines Strahlbündels des vierten Satzes von Strahlbündeln an dem Punkt ist. An dieser Stelle ist eine perfekte Überlagerung von Gauß-Bündeln möglich.

Eine einfache und kostengünstige Bauweise gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sieht vor, dass das optische Element als ein- oder mehrstufige refraktive Optik ausgeführt ist.

Eine besonders kompakte Bauweise gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sieht vor, dass das optische Element als reflektive Optik, vorzugsweise als Parabolspiegel, ausgeführt ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die optische Umordnungseinheit steuerbar, um eine Umordnung des zweiten Satzes von Strahlbündeln - hinsichtlich einer lateralen Anordnung von Strahlbündeln - gegenüber dem ersten Satz von Strahlbündeln einzustellen. Dadurch können einzelne Strahlbündel überlagert werden sowie aus ihrer ursprünglichen Position verschoben werden, beispielsweise um eine besonders dichte Anordnung von Strahlbündeln zu erreichen oder um die ursprünglichen Strahlbündel in einem definierten Abstand voneinander anzuordnen. In anderen Worten ausgedrückt ordnet die Umordnungseinheit die eintreffenden Strahlbündel unter Beibehaltung der gegenseitigen Parallelität um, so dass jedes ausgangsseitige zweite Strahlenbündel eineindeutig einem der eintreffenden ersten Strahlenbündel zugeordnet sind, und so dass die laterale relative Anordnung der Strahlbündel zueinander sich zwischen dem ersten Satz von Strahlbündel und dem zweiten Satz ändert.

Gemäß einem einfach herzustellenden und aufzubauenden Ausführungsbeispiel weist die optische Umordnungseinheit der optischen Vorrichtung mechanisch verstellbare Spiegel auf.

Zum einfachen Verstellen bzw. Einstellen der mechanisch verstellbaren Spiegel, umfasst die optische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel Lagerungen, beispielsweise Federgelenke oder Loslager, über die die mechanisch verstellbaren Spiegel linear beweglich sind, wie z.B. parallel zu den eintreffenden Strahlbündeln. Mittels Linearbewegungen lassen sich Strahlbündel unter Beibehaltung ihrer gegenseitigen Parallelität umordnen. Dadurch können ursprünglich starre Positionen der von der Quelle ausgehenden achsparallelen Strahlbündel, die an verschiedenen räumlichen Positionen lokalisiert sind, parallel zueinander verschoben werden.

Um eine möglichst genaue Umordnung bzw. Ausrichtung von Strahlbündeln zu gewährleisten, kann die optische Umordnungseinheit mechanische und/oder piezoelektrische und/oder magnetisch ansteuerbare Stellelemente, beispielsweise für die Linearbewegung der Spiegel, aufweisen. Mit solchen Stellelementen lässt sich eine hochpräzise Steuerung der Strahlbündel erzielen.

Zweckmäßigerweise ist die optische Umordnungseinheit der optischen Vorrichtung ausgebildet, die Umordnung weglängenerhaltend zu erzielen, so dass jedes Strahlbündel des ersten Satzes von Strahlbündeln bei einem Durchlaufen der optischen Umordnungseinheit, um ein Strahlbündel des zweiten Satzes von Strahlbündeln zu werden, eine Wegstrecke zurücklegt, die unabhängig von einer Einstellung der Umordnung ist bzw. unabhängig von einer Position der Strahlbündels nach seiner Umordnung ist. Damit werden weglängenabhängige Änderungen der Bündel vermieden. Sie treffen demnach unabhängig von der gewählten bzw. eingestellten Umordnung mit gleichem Durchmesser bzw. Taillenlage auf das optische Element.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die optische Umordnungseinheit einen entlang eines Strahlengangs der optischen Vorrichtung hinter den verstellbaren Spiegeln angeordneten starren Spiegel auf. Die Anordnung kann so sein, dass der Umlenkwinkel jeweils 90° beträgt, bei starrem Spiegel und verstellbaren Spiegeln Die Anordnung eines solchen Spiegels ist dann besonders vorteilhaft, wenn sämtliche Strahlbündel, nach Verlassen der verstellbaren Spiegel, in der gleichen Art und Weise umgelenkt werden.

Gemäß noch einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die optische Umordnungseinheit ausgebildet, den ersten Satz von zu der Strahlrichtung parallelen Strahlbündeln unter Beibehaltung der Parallelität zueinander und zu der Strahlrichtung so umzuordnen, dass der zweite Satz von Strahlbündeln ebenfalls zu der Strahlrichtung, also zu dem ersten Satz von Bündeln, parallel ist. Eine Beibehaltung der Parallelität ist im Hinblick auf ein Auftreffen auf ein reflektives bzw. refraktives optisches Element, zur im Wesentlichen gleichmäßigen Änderung der Eigenschaften bzw. Aus-Richtung des Strahlbündels besonders dienlich.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Strahlaufweitungsoptik als refraktives Teleskop ausgeführt.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Strahlaufweitungsoptik als reflektives Teleskop ausgeführt. Eine optische Vorrichtung, die sich eines solchen reflektiven Teleskops bedient, vermeidet chromatische Aberrationen innerhalb der Strahlaufweitungsoptik.

Bei einem Ausführungsbeispiel der optischen Vorrichtung weisen die Strahlbündel des ersten Satzes monochromatisches Licht hoher Intensität auf. Monochromatisches Licht erlaubt eine genaue Messung bzw. Lokalisation von Gegenständen in einer Bildebene, da die Eigenschaften einzelner Strahlbündel, die mittels verschiedener optischer Elemente der optischen Vorrichtung gelenkt werden, im Wesentlichen gleich bleiben und damit auf die gleiche Art und Weise gesteuert werden können.

Figurenkurzbeschreibung

Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipskizze einer optischen Vorrichtung gemäß einem

Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Modells eines

Gauß-Strahles bzw. -Strahlbündels,

Fig. 3 eine Skizze einer Umordnungseinheit mit linear angeordneten

Monomodefasem gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine vereinfachte Skizze zur Darstellung einer Bündelüberlagerung von

Strahlbündeln und Strahlaufweitung mittels eines astronomischen Teleskops zur Strahlaufweitung gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine vereinfachte Skizze zur Darstellung der Strahlaufweitung mittels eines astronomischen Teleskops mit einer unvorteilhaften Bündelüberlagerung,

Fig. 6 eine vereinfachte Skizze zur Darstellung der Bündelüberlagerung und

Strahlaufweitung mittels eines astronomischen Teleskops zur Erläuterung einer optimalen Bedingung zur Überlagerung von Strahlbündeln gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel, Fig. 7 eine vereinfachte Skizze zur Darstellung der Bündelüberlagerung und

Strahlaufweitung mittels eines astronomischen Teleskops zur Erläuterung einer nicht optimalen Ausleuchtung des Objektivs bei unvorteilhaft stark kollimierten Strahlbündeln, Fig. 8 eine vereinfachte Skizze zur Darstellung der Strahlaufweitung mittels eines astronomischen Teleskops gemäß Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 mit Angaben zur Größe von Strahltaillen,

Fig. 9 eine vereinfachte Skizze zur Veranschaulichung des Strahlengangs einer optischen Vorrichtung unter Verwendung einer refraktiven Strahlaufweitungsoptik gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 10 eine vereinfachte Skizze zur Veranschaulichung des Strahlengangs einer optischen Vorrichtung unter Verwendung einer reflektiven Strahlaufweitungsoptik gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

In Fig. 1 ist eine Prinzipskizze einer optischen Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Dabei entspricht die optische Vorrichtung 100 einer mehrkanaligen optomechanischen Adressiereinheit zur Abbildung einer Vielzahl von zueinander parallel verlaufenden Strahlbündeln auf eine Bildfläche 190. Ausgehend von einer Quelle 110 werden mehrere Strahlbündel, die einen ersten Satz S1 von Strahlbündeln bilden, über die optische Vorrichtung 100 auf die Bildfläche 190 geleitet. Die einzelnen Strahlbündel des ersten Satzes S1 sind dabei parallel zueinander ausgerichtet. Mit anderen Worten gesagt, werden verschiedene Quellpunkte in einer Eingangsebene bestimmten Zielpunkten in der Bildfläche 190 zugeordnet bzw.

auf letztere abgebildet.

Als Quelle 110 für die Strahlbündel des ersten Satzes S1 von Strahlbündeln können eine oder mehrere Monomodequellen dienen. Licht aus einer Laserquelle wird beispielweise von einer Monomodefaser über Splitter auf mehrere Monomodefasem übertragen, deren Enden dann als Quellen der einzelnen Strahlbündel des Satzes S1 dienen, oder es werden mehrere Monomodelaser, ohne oder mit Faserkopplung, verwendet, um den Satz S1 von Strahlbündel bereitzustellen.

Die Strahlbündel des ersten Satzes S1 von Strahlbündeln werden an eine Umordnungseinheit 130, 140 weitergeleitet. Dies kann vermittels eines Kollimators 120, wie z.B. einer Gradientenindex-Linse, pro Bündel bzw. Kanal geschehen.

Die Strahlbündel des ersten Satzes S1 können monochromatisches Licht aulweisen. Die monochrome Eigenschaft kann durch das technische Einsatzgebiet der optischen Vorrichtung 100 bedingt sein, wie z.B. in einem Quantencomputer, kann aber auch bei anderen Anwendungsgebieten vorteilhaft sein, um chromatische Aberrationen zu vermeiden.

Alternativ zu obiger Beschreibung können die Strahlbündel des ersten Satzes S1 auch von Multimode-Quellen stammen, also einem Multimode-Laser oder einer Multimode- Faser. Pro Kanal bzw. Büdel des Satzes S2 kann ein geeigneter Kollimator vorgesehen sein, wobei die Dimensionen für die Kollimation der Strahlenbündel dann möglicher Weise größer ausfällt als bei einer Monomode-Variante. Beispielsweise entstammt jedes Bündel des Satzes S1 einer Multimode-Faser, einem VCSEL oder einem Kanal eines VCSEL- Arrays. Die Bündel des Satzes S1 könnten in dem Fall der Multimode-Erzeugung durch ein Array von VCSELs gefolgt von einem Mikrolinsen-Array bzw. einer Mikro-Linse pro VCSEL erzeugt werden.

Die Umordnungseinheit ordnet den ersten Satz S1 von zueinander parallelen Strahlbündeln unter Beibehaltung der Parallelität zueinander um, so dass ein zweiter Satz S2 von zueinander parallelen Strahlenbündeln erhalten wird. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Umordnungseinheit mechanisch verstellbar bzw. auf unterschiedliche Umordnungen einstellbar ist. Über die Umordnungseinheit 130, 140 wird der zweite Satz S2 von zueinander parallelen Strahlbündeln auf ein optisches Element 150 gerichtet, das ausgebildet ist, den zweiten Satz S2 von einem oder mehreren Strahlbündeln durch Bündelung auf eine Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 zu richten, so dass die Strahlaulweitungsoptik 161 , 162 von einem dritten Satz S3 von Strahlbündeln erreicht wird. Das optische Element 150 ist ausgebildet, parallel zu dem zweiten Satz S2 von Strahlbündeln einfallendes Licht auf einen Ort eines Punktes X in oder um einen Abstand f _T, + D kleiner als einem zweifachen einer Brennweite f _T, eines eingangsseitigen optischen Elements T1 der Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 vor oder nach, dem eingangsseitigen optischen Element T1 zu bündeln. Aufgrund der jedem Strahlbündel des zweiten Satzes inne wohnenden vorzugsweise Divergenz überlagern sich die Strahlbündel des dritten Satzes S3 an dem Punkt X in einem ausgedehnten Bereich. In anderen Worten ausgedrückt wird jedes Strahlenbündel des Satzes S2 durch das optische Element 150 umgelenkt und als eines der Bündel des Satzes S3 auf den Punkt X gerichtet, um sich dort mit den anderen Bündeln des Satz 3 zu überlagern. Die Überlagerung findet in einem ausgedehnten Flächenbereich statt. Die Richtungen, mit denen die Bündel des dritten Satzes S3 auf den Punkt X gerichtet werden hängt eineindeutig von dem lateralen Ort ab, an welchem des entsprechende Strahlbündel des Satzes S2 auf das optische Element trifft.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das optische Element 150 als einstufige refraktive Optik ausgebildet. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das optische Element 150 auch als mehrstufige refraktive Optik oder als refiektive Optik ausgeführt sein.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 1 befindet sich der Punkt X der Überlagerung des dritten Satzes S3 von Strahlbündeln vor dem eingangsseitigen optischen Element T1, beispielsweise einer Sammellinse eines Teleskops, das die Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 bildet. Die Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 ist ausgebildet, jedes Strahlbündel des dritten Satzes S3 von Strahlbündeln aufzuweiten, um einen vierten Satz S4 von aufgeweiteten Strahlbündeln zu erhalten. In der Fig. 1 ist die Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 aus einem Teleskop gebildet, dass eingangsseitig eine Linse T1 und ausgangsseitig eine Linse T2 aufweist. Der vierte Satz S4 von Strahlbündeln wird über eine der Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 nachgeordneten Abbildungsoptik 170 auf die Bildfläche 190 abgebildet. Dabei ist die Abbildungsoptik 170 im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 eingerichtet, den vierten Satz S4 von aufgeweiteten Strahlbündeln auf die Bildfläche 190 zu fokussieren.

Mittels der Strahlaufweitungsoptik 161 , 162, die hier als astronomisches Teleskop mit zwei optischen Elementen bzw. Linsen T1, T2 dargestellt ist, gelingt es die im Punkt X vor dem Teleskop im Wesentlichen zur Überlagerung gebrachten Strahlbündel des dritten Satzes S3 von Strahlbündeln auf einer Ebene, hier einer eingangsseitigen Oberfläche der Abbildungsoptik 170 zu einem vierten Satz S4 von Strahlbündeln mit gegenüber dem dritten Strahlbündelsatz erweitertem Bündeldurchmesser und geringere Bündelausbreitungsrichtungsvarianz unter den Bündeln zu überlagern, wobei der vierte Satz S4 von Strahlbündeln durch die Abbildungsoptik 170 auf die Bildebene 190 fokussiert wird.

Monomodige Gaußbündel, die zur Fokussierung auf beispielsweise Ionen geeignet sind, unterliegen den Gesetzen der Gauß-Strahloptik. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, wie das von Fig. 1 , erreichen die Erzeugung von Taillengrößen der auf die Bildebene 190 fokussierten Bündel, die sehr klein sein können und im Wesentlichen nur von der Größe bzw. Durchmesser der Abbildungsoptik 170 und der Wellenlänge abhängen, aber von der Anzahl an Strahlbündeln in den Sätzen S1 bis S4 im Wesentlichen unabhängig sind. Um das zu veranschaulichen, sei zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen.

Fig. 2 veranschaulicht ein herkömmliches Modell eines Gauß-Strahles bzw. - Strahlbündels der/das zur Näherung für eine Berechnung und Darstellung des Verhaltens von Strahlbündeln gemäß der hier aufgeführten Ausführungsbeispiele Verwendung findet.

Demzufolge sind die Strahlbündel der Wellenlänge durch entsprechende Taillen w ₀ und Winkel q ₀ gemäß und durch Strahlradien entsprechend des Abstands z von der Taille W

charakterisiert, wobei Zo die Rayleighlänge

ist, über die sich der Strahlradius auf das Ö2-fache des Taillenwerts W vergrößert.

Durch optische Elemente werden Gaußtaillen ineinander transformiert, wobei sich die Bündelquerschnitte von einer Taille W weg vergrößern und zu einer Taille W hin verjüngen.

Ein ausgeleuchteter Bereich eines im Strahlen- bzw. Bündelgang befindlichen optischen Elements hängt mit einem Öffnungswinkel q ₀ des Strahlbündels und einem Abstand z zur Taillenebene zusammen. Für eine geringe Taillengröße wird der Bündelöffnungswinkel größer, d.h., dass bei einem gegebenen Abstand von optischem Element und Taille entsprechend der ausgeleuchtete Bereich des optischen Elements größer wird. Um einen ausreichenden Energieeinschluss innerhalb des Gauß'schen Strahlbündels von >99% zu gewährleisten, müssen Elemente im . Strahlengang, die potentiell bündelbegrenzend wirken, zudem wenigstens einen Durchmesser vom drei-fachen des an dieser Stelle vorliegenden Bündelradius haben.

In bekannten technischen Ansätzen führen achsfeme bzw. deutlich zu einer optischen Achse OA - als gepunktete Linie angedeutet - geneigte Bündel dazu, dass Anforderungen an Größe und Qualität der optischen Elemente zunehmen bzw. dass bei beschränkten Größen der optischen Elemente Transmissionsverluste durch partielles Abschneiden einer Gaußverteilung - der Strahlintensität - entstehen. Entsprechende Effekte treten bspw. durch quellseitige Anordnungen oder durch Strahlablenkungen auf, die zur Zuordnung von Quellpunkten zu Zielpunkten notwendig sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist der Durchmesser der beispielsweise als Objektiv ausgestalteten Abbildungsoptik 170 nicht wesentlich größer und die Brennweite nicht wesentlich kleiner, als es zur Erzeugung eine Taille der Größe W _ziel - die die ortsaufgelöste Adressierung der Zielpunkte in der Bildfläche 190 ermöglicht - nötig ist, und dafür, dass für Gauß'sche Bündel eine Transmission >99% erzielt wird. Das Objektiv 170 weist eine Brennweite f _obj und einen Durchmesser D _obj auf und transformiert das Strahlbündel in seiner Fokalebene, die der Bildfläche 190 entspricht, in eine den Anforderungen der Abbildungsaufgabe angepasste Gaußtaille

W _ziel . Die Öffnung der Abbildungsoptik 170, beispielsweise einem Objektiv, wird dabei als numerische Apertur (NA), eine Größe, die über

definiert ist, bezeichnet.

Nach (1) und (4) bestimmt sich unter Berücksichtigung der >99% Transmissionsforderung der Öffnungswinkel, den ein Objektiv mindestens haben muss zu

wobei technische Gegebenheiten des Aufbaus wie der Abstand vom Objektiv zur Zielebene bzw. deren Ausdehnung Brennweite bzw. Objektivdurchmesser festlegen.

Opto-mechanlsche Strahlumlenkung mittels der optischen Umordnungseinheit und Strahlaufweitung mittels der Strahlaufweitungsoptik können in den Ausführungsbeispielen des opto-mechanischen Systems daher so gestaltet sein, dass für jeden Kanal das auf das Objektiv treffende aufgeweitete Bündel innerhalb des nach den technischen Gegebenheiten bestimmten Objektivdurchmessers bleibt und diesen nahezu vollständig ausleuchtet.

Auf die oben beschriebene Art und Weise ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine gleichzeitige hochpräzise Zuordnung einer Vielzahl von eingangsseitigen Lichtquellpunkten zu ausgangsseitigen Zielpunkten in einer

Zielebene bzw. Bildfläche, wobei die Zielpunkte nicht notwendig ortsfest sind. So

können beispielsweise in lonenfallen damit beladungsabhängige lonenabstände oder durch Streufelder beeinflusste lonenpositionen nachgeführt werden. Die hinsichtlich einer optischen Achse OA vom Objektiv zentrierte und auf dessen Durchmesser abgestellte optische Gesamtanordnung, die durch eine geeignete Mikro-Opto-Mechanik ermöglicht wird, erlaubt es Objektive zu verwenden, deren Spezifikationen hinsichtlich einer numerischen Apertur im Wesentlichen nur von den Auflösungsanforderungen innerhalb der Zielebene und hinsichtlich ihrer Brennweite im Wesentlichen nur vom konstruktiv bedingten Arbeitsabstand abhängen. In dem Fall, dass beispielsweise die Bildfläche 190 in einer lonenfalle liegt, kann der vorerwähnte Arbeitsabstand bspw. durch eine Dicke eines Vakuumfensters und einen Abstand der Falle zum Fenster gegeben sein.

Skalierungen zu größeren lonenzahlen sind damit nicht wie bei anderen opto- mechanischen Ansätzen durch deutlich aufwändigere Objektive mit größeren

numerischen Aperturen oder größeren Durchmessern limitiert. Ähnliches gilt auch bei anderen technischen Anwendungsbeispielen der Vorrichtung 100. Die bei den

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendbare limitierte numerische Objektivapertur begrenzt wegen einer größeren Schärfentiefe zudem den notwendigen Aufwand zur longitudinalen Justierung des Objektivs bezüglich der Bildfläche 190, wie z.B. einer lonen-Ebene. Gefaltete und, bis auf das Objektiv, rein reflektive Optiken erlauben kompakte Aufbauten, die zudem wellenlängenunabhängig und damit für verschiedene Anwendungsfälle, bspw. für Ionen- Fallen mit ⁴⁰ Ca ⁺ , ¹³⁸ Ba ⁺ oder anderen Ionen, ersetzbar sind.

In einer konkreten Ausführung kann die Vorrichtung von Fig. 1 zur Realisierung einer optomechanischen Adressiereinheit, der Einfachheit halber für eine lineare Anordnung in der Bildfläche 190, wie folgt dimensioniert werden, beispielsweise für eine lineare Anordnung von ⁴⁰ Ca ⁺ Ionen in einer lonen-Falle, wie z.B. einer Paul-Falle. Als Quelle 110 eines ersten objektseitigen Satzes S1 von zueinander parallel verlaufenden Strahlbündeln kann eine adäquate lineare Anordnung von eingangsseitigen Monomodefasem dienen. Für die Abstände der Quellen 110 sind Faserdurchmesser, Durchmesser der Kollimationslinsen 120 und notwendige Kanalabstände seitens der Mechanik zu berücksichtigen. Wird von einem durch die Mechanik bestimmten Rastermaß von 500mm ausgegangen, sind Kollimationslinsen 120 mit Durchmessern unterhalb 500mm zu wählen. Können die Quellen in unterschiedlichen, bspw. gegenüberliegenden Ebenen angeordnet werden, sind Kollimationslinsen 120 mit Durchmessern unterhalb 1mm möglich. Für die Abstände von ⁴⁰ Ca ⁺ Ionen in der lonen-Falle kann beispielsweise ein mittlerer Wert von ca. 5mm veranschlagt werden, woraus sich ein Abbildungsmaßstab für deren Abstände von 100:1 ergibt. Die Wellenlänge für die optische Vorrichtung 100 bzw. Adressieroptik für ⁴⁰ Ca ⁺ Ionen beträgt 729nm. Ein Modenfeldradius einer zuführenden Monomodefaser 110 von etwa 2,5mm kann in guter Näherung als Eingangs-Gaußtaille angesehen werden. Eine im Strahlengang anzuordnende Umordnungseinheit 130, 140, deren Größe durch einen Kanalabstand nach oben begrenzt ist, begrenzt den Bündeldurchmesser der Strahlen. Ein Bündelradius an dieser Stelle sollte demnach unter 150mm gehalten werden. Wenn einzelne lonenabstönde im Zentrum der lonen-Falle unter 5mm liegen, ist es vorteilhaft, die Größe eines Umlenkelements, beispielsweise eines verstellbaren Spiegels 130, von unter 500mm zu wählen, d.h. vorzugsweise ist der Bündeldurchmesser W am Umlenkelement 130, 140 kleiner 100mm zu wählen. Fig. 1 zeigt eine vorzugsweise Realisierung mit einem nach der Kollimationslinse 120 schwach konvergenten Bündel.

Zur Realisierung des Abbildungsmaßstabs sind Strahlaufweitungsoptik, Brennweite f _OE des optischen Elements 150 und Objektivbrennweite f _obj geeignet zu dimensionieren. Für den Zusammenhang zwischen Abstand der Quellpunkte Y die-Quell und Abstand der Zielpunkte , o. B. d. A. jeweils als lineare Anordnung in y-Rlchtung, kann, wenn das abbildende optische Element 150 eine Brennweite f _OE hat und die Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 als Teleskop mit zwei Linsen T1, T2 der Brennweiten f _T,1 und f _T,2 angenommen wird, der folgende formelmäßige Zusammenhang gefunden werden:

Ist das abbildende optische Element 150 als Parabolspiegel mit Krümmungsradius R _{c_ mi} ausgeführt, ergibt sich aus (6) der adäquate Zusammenhang

Für (6) bzw. (7) ist vorausgesetzt, dass Abstände parallel ausgerichteter Fasern als Quellebene unter Beibehaltung der Parallelität durch eine geeignete Umordnungseinheit 130, 140 bzw. Opto-Mechanik im Verhältnis 1:1 in Abstände zur optischen Achse OA des abbildenden optischen Elements 150 übersetzt werden. Ermöglicht die Umordnungseinheit 130, 140 unter Beibehaltung der o.g. Parallelitätsforderungen - nun eine Transformation von Quellpositionen zu mit bezeichneten Positionen auf dem abbildenden optischen Element - die wiederum Abstände zur optischen Achse OA beschreiben - können mittels

bzw. im Falle des Parabolspiegels als abbildendes optisches Element mittels

freie Zuordnungen von Quell- und Zielpunkten adressiert werden. Mögliche Realisierungen der Zuordnung von Quellpositionen zu Positionen sind in

Fig. 3 beispielhaft skizziert. Zum Zwecke der Darstellung der Variabilität der Zuordnungen sind diverse Möglichkeiten illustrativ dargestellt, der Anwendungsfall sieht eine eineindeutige Zuordnung von N Quell-Kanälen bzw. Quellpunkten auf N Ziel-

Kanäle bzw. Zielpunkte vor.

Wird beispielhaft von einem Objektiv mit einer NA von 0,3 ausgegangen, dann können für die Wellenlänge von 729nm in der lonenebene Taillengrößen <1.5mm erzeugt werden. Diese erlauben eine präzise Adressierung von lonenpositionen, die im Abstand von circa 5mm liegen. Wird weiterhin von einer Brennweite von 30mm ausgegangen, die den Betrieb der lonenfalle hinter einem mehr als 10mm dicken Vakuumfenster gestattet und wird eine typische Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 für ein Abbildungsmaßstab von 10:1 verwendet, dann wird der Abbildungsmaßstab von 100:1 , der dem Verhältnis der

Abstände der Quellpunkte zum Abstand der Zielpunkte entspricht, mit einem

optischen Element 150 mit einer Brennweite von 300mm - bspw. mit einem Spiegel mit einem Krümmungsradius von 600mm - realisiert.

Bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Anmeldung, wie zum Beispiel in Fig. 1, wird beispielsweise die Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 in einem geeigneten Abstand von f _OE + f _T1 +D zum Parabolspiegel angeordnet. Damit liegen der Ort bzw. Punkt X der Überlagerung der Bündel im Abstand f _T, + D vor der ersten Linse T1 des Teleskops, was wiederum zur teleskopausgangsseitigen Zentrierung der Bündel führt, wie es beispielsweise in Flg. 1 und Fig. 4 gezeigt ist. Eine Möglichkeit zur Bestimmung von D wird im Folgenden hergleitet.

Die Ausleuchtung entsprechend gegebener bzw. geforderte Objektiv- bzw. Ausgangsdurchmesser der Strahlaufweitungsoptik wird im Wesentlichen mit der fäserseitigen Kollimationsoptik 120 eingestellt. Wird eine konventionelle Mikrolinse verwendet, ergibt sich die Einstellung dadurch, dass der Objektabstand um einige % abweichend von einer nominellen Brennweite f gewählt wird, damit die gewünschte leichte Konvergenz bzw. Divergenz erzielt wird. Beispielsweise liegt der Abstand zwischen Quelle, wie z.B. Laser oder Faserausgang, und Kollimator, zwischen dem 0,9 und dem 1 ,1 fachen der nominellen Brennweite. Ein intendiertes Anwendungsgebiet von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind, wie oben bereits erwähnt, Quantentechnologien, bei denen die simultane Adressierung einer Mehrzahl von Ionen in einer lonenfalle eine notwendige Teilaufgabe darstellt. Vergleichbare Aufgabenstellungen gibt es innerhalb diverser anderer Einsatzfelder - die können bspw. innerhalb der Kommunikationstechnologien, in der Sensorik oder auch im Bereich von Strahlführüngen in industriellen Anwendungen liegen.

Fig. 3 veranschaulicht eine Skizze einer Umordnungseinheit 130, 140 mit Strahlbündeln, die aus hier exemplarisch linear angeordneten Monomodefasem stammen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 weisen die jeweiligen Monomodefäsem einzelne Kollimatoren 120 a .. d auf, die ein im optischen Sinne schwach konvergentes bzw. schwach divergentes Strahlbündel erzeugen. Die einzelnen Positionen Pos.1 .. 4 der

Strahlbündel, die Quellpunkten entsprechen, werden mittels jeweils eines geeignet bewegbaren bzw. verstellbaren Spiegels 130 a .. d pro Strahlbündel und einem für sämtliche Strahlbündel vorgesehenen starren Spiegel 140 Positionen Pos. 1' .. 4‘ auf dem optischen Element 150 zugeordnet. Dabei können einzelne Strahlbündel nicht nur gegeneinander verschoben sondern auch umgeordnet werden. In der Fig. 3 werden die einzelnen Verschiebungen der Positionen Pos.1 .. 4 nach Pos. 1' .. 4' mittels Pfeilen angedeutet. Die verstellbaren Spiegel 130 a .. b sind vorzugsweise derart gelagert, dass sie eine lineare Bewegung zulassen. Je nach Ausführungsform lässt sich die gesamte optische Umordnungseinheit 130, 140 oder Teile davon mittels mechanischer und/oder piezoelektrischer und/oder magnetisch ansteuerbarer Stellelemente steuern. Entlang des Strahlengangs der optischen Vorrichtung 100 weist die optische Umordnungseinheit 130, 140 einen im Strahlengang hinter den verstellbaren Spiegeln 130 angeordneten starren Spiegel 140 auf, über den die Strahlbündel auf das optische Element 150 gerichtet werden.

Wie es das Bespiel von Fig. 3 veranschaulicht, kann die optische Umordnungseinheit 130, 140 ausgebildet sein, die Umordnung von Positionen, hier der Pos.1 .. 4 nach Pos. 1 ' .. 4‘, weglängenerhaltend zu erzielen, so dass jedes Strahlbündel des ersten Satzes S1 von Strahlbündeln bei einem Durchlaufen der optischen Umordnungseinheit 130, 140, um ein Strahlbündel des zweiten Satzes S2 von Strahlbündeln zu werden oder dazu beizutragen, eine Wegstrecke zurücklegt, die unabhängig von einer Einstellung der Umordnung ist. Darüber hinaus ist die optische Umordnungseinheit 130, 140 ausgebildet, um den ersten Satz S1 von zu der Strahlrichtung parallelen Strahlbündeln unter Beibehaltung der Parallelität zueinander und zu der Strahlrichtung so umzuordnen, dass der zweite Satz S2 von Strahlbündeln zu der Strahlrichtung parallel ist bzw. bleibt.

Im Folgenden wird anhand mehrerer aufeinanderfolgender Skizzen eine bevorzugte Einstellung zur einzelnen optischen . Bauteile der optischen Vorrichtung 100 veranschaulicht, die eine optimale Ausleuchtung der Zielpunkte erlaubt.

In Fig. 4 wird eine vereinfachte Skizze zur Darstellung einer Bündelüberiagerung von Strahlbündel und ihrer Strahlaufweitung mittels eines astronomischen Teleskops gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei wird vereinfachend der Strahlgang ausgehend von den Kollimatoren 120 der einzelnen Strahlbündel veranschaulicht - die Umordnungseinheit 130, 140 ist nicht gezeigt. Die auf das optische Element 150 zulaufenden Strahlbündel weisen eine nur geringe Konvergenz bzw. Divergenz auf und verlaufen parallel zu einer optischen Achse OA, die in den Figuren als gepunktete Linie angedeutet ist. Durch das optische Element 150 werden die einzelnen Strahlbündel abgelenkt. In der Brennweite f _OE des optischen Elements 150 laufen die Strahlenbündel dann zusammen, wobei eine gemeinsame Mitte aller Strahlbündel durch einen Punkt X Im Fokus von dem optischen Element 150 definiert wird. Dabei ist der Ort des Punktes X in einem vorherbestimmten Abstand f _T, + D vor dem eingangsseitigen optischen Element bzw. der eingangsseitigen Linse T1 der Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abstand des Punktes X von der eingangsseitigen Linse T1 derart eingestellt, dass die Aufweitung der Strahlbündel mittels der Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 die ausgangsseitige Linse T2 sowie die ihr nachgeschaltete Abbildungsoptik 170 - wie z.B. ein Objektiv - im Wesentlichen vollständig ausleuchtet, wie z.B. zu mehr als 50%, und zwar beispielsweise von jedem aufgeweiteten Strahlbündel zu mehr als 50%. Durch das optische Element 150 werden die ursprünglichen Positionen/Orientierungen der Strahlbündel, d. h. also verschiedene Orte und gleicher Winkel achsparalleler Strahlbündel in denselben Ort und verschiedene Winkel übertragen. Die Quellen 110, beispielsweise Monomodequellen, können dabei ein- oder auch zweidimensional angeordnet sein.

In Fig. 5 wird eine vereinfachte Skizze zur Darstellung einer Bündelüberiagerung von Strahlbündel und ihrer Strahlaufweitung mittels eines astronomischen Teleskops gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Abweichend von der Fig. 4 ist in der Fig. 5 der Ort des Punktes X in einem Abstand von dem eingangsseitigen optischen Element bzw. der eingangsseitigen Linse T1 des Teleskops derart bestimmt, dass sich die Strahlbündel nicht zwangsläufig in dem ausgangsseitigen optischen Element bzw. der ausgangsseitigen Linse T2 oder dem nachgeschalteten Objektiv 170 überlagern. Demnach verraten schau Licht die Fig. 5 den Strahlgang eines Bündels bei nicht angepasstem Abstand zwischen dem optischen Element 150 und dem eingangsseitigen optischen Element 161 der Strahlaufweitungsoptik 161 , 162.

Eine vorteilhafte Einstellung bzw. Dimensionierung der optischen Vorrichtung dafür, dass alle Strahlbündel, die parallel von Quellen in verschiedener Entfernung von der optischen Achse OA ausgehen, sich in dem ausgangsseitigen optischen Element 162 bzw. der ausgangsseitigen Linse T2 sowie dem der Strahlaufweitungsoptik 161, 162 nachgeschalteten Objektiv 170 perfekt überlagern, wird anhand der Fig. 6 erläutert. Bei Betrachtung der Fig. 4 sowie Fig. 5 ist ein Unterschied der Strahlengänge durch die optische Vorrichtung 100 deutlich zu erkennen. Anhand der Fig. 6 soll die soeben erwähnte Dimensionierung für eine optimale Überlagerung von Strahlbündeln gemäß einem Ausführungsbeispiel verdeutlicht werden. Dazu wird vereinfachend nur der Ausschnitt aus den Fig. 4 und 5 gezeigt, der den Punkt X am Ort der Überlagerung der einzelnen Strahlbündel sowie die Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 umfasst. Die zu fordernde Bedingung besteht darin, dass die Bündelmitten der

Strahlbündel, die im Abstand f _OE nach dem abbildenden optischen Element 150 zusammenfallen, auch in einer Ebene des ausgangsseitigen optischen Elements bzw. der ausgangsseitigen Linse T2 des Teleskops wieder zusammenfallen. In der Fig. 6 repräsentieren die einzelnen Strahlen jeweils die Mitten der einzelnen Strahlbündel die von verschiedenen Positionen des abbildenden optischen Elements 150 in Richtung der Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 ausgehen. Die Bedingung kann als Abbildungsaufgabe formuliert werden, für die folgendes gilt:

Der Punkt X bzw. Objektpunkt ist ein auf der optischen Achse OA liegender Ort, an dem alle Mitten der Strahlbündel, also die Bündelzentren, zusammenfallen. Der Punkt X wird durch die Linse T1 in der Bildweite f _T, + f _T, in einen ebenfalls auf der optischen Achse liegenden Bildpunkt abgebildet. Eine Bestimmungsgröße zur Erfüllung der Abbildungsaufgabe ist der Abstand vom Objektpunkt bzw. X zu T1

Dazu sind in die Abbildungsgleichung

einzusetzen: als Objektweite s die Größe f _T1 + D als Bildweite s' die Größe f _T1 + f _T2 und als Brennweite f die Größe f _T1 womit sich die zu bestimmende Größe D zu ergibt. Es soll gemäß alternativer Ausführungsbeispiele genügen, wenn D in einem

Bereich ± 50% von dem Wert gemäß ED 2 liegt. Für die Bündelüberlagerung im Objektiv 170 ergeben sich geringfügige Änderungen von D, wenn ein endlicher Abstand zwischen T2 und dem Objektiv 170 zu berücksichtigen ist, bspw. wenn dort weitere optische Elemente im Strahlengang einzubringen sind.

Fig. 7 zeigt eine vereinfachte Skizze zur Darstellung der Bündelüberlagerung und Strahlaufweitung mittels eines astronomischen Teleskops mit den Linsen T1 , T2 in Analogie zu den vorhergehenden Fig. 4 bis 6 zur Erläuterung einer ungenügenden Ausleuchtung des Objektivs 170 bei zu stark kollimierten Strahlbündeln. Eine Ausleuchtung des ausgangsseitigen optischen Elements bzw. der ausgangsseitigen Linse T2 der Strahlaufweitungsoptik 161, 162 bzw. dem der Strahlaufweitungsoptik 161, 162 nachgeschalteten Objektiv 170 wird dadurch eingestellt, dass die parallelen Strahlbündel, die auf das abbildenden optischen Element 150 treffen, eine gewisse Konvergenz oder Divergenz haben, mit anderen Worten gesagt, nicht ideal kollimiert sind. Dies kann der Fig. 4 links vom abbildenden optischen Element 150 entnommen werden, wobei die gekrümmten Linien der einzelnen Strahlbündel Gauß'sche-Strahlbündel andeuten.

Aus Fig. 7 ist erkennbar, dass bei zu stark kollimierten Strahlbündeln die Strahlbündel nur einen sehr kleinen Teil des ausgangsseitigen optischen Elements T2 bzw. dem der Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 nachgeschalteten Objektiv 170 ausleuchten.

Fig. 8 zeigt eine vereinfachte Skizze zur Darstellung der Strahlaufweitung mittels eines astronomischen Teleskops gemäß einem Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit Erläuterung des Gauß'schen Strahls in der Fig. 2. In der Fig. 8 wird ein

Ausführungsbeispiel beschrieben, bei der die Abstände der Quellpunkte und

Zielpunkte sich um den Faktor 100 unterscheiden. Entsprechend gibt es natürlich auch eine Verkleinerung eines Strahlbündels bzw. einer Bündel Taille, wie dies den Taillengrößen In Fig. 8 zu entnehmen ist. Ausgangspunkt für die 100:1 -Verkleinerung ist dabei nicht die Taille des Strahlbündels der Quelle 110 sondern die Taille, die durch eine nicht auf ideale Kollimation eingestellte Kollimationslinse 120 erzeugt wird. Im Ausführungsbeispiel beträgt diese 89 Mikrometer und wird durch die 100:1 -Verkleinerung in der Fokalebene des Objektivs zu einer Taillengröße von 0,89 Mikrometer transformiert. Fig. 9 zeigt eine vereinfachte Skizze zur Veranschaulichung des Strahlengangs einer optischen Vorrichtung 100 unter Verwendung einer refraktiven Strahlaufweitungsoptik 161 , 162 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 ein reflektives optisches Element 150 auf. Das reflektive abbildenden optischen Element 150 kann beispielsweise ein

Parabolspiegel sein. Bei dem Ausführungsbeispiel mit einem reflektiven abbildenden optischen Element 150 - Parabolspiegel - ist die Quelle 110 bzw. der Kollimator 120 in einem bestimmten Winkel angeordnet, damit keine Abschattung auftreten kann.

In Fig. 10 wird eine vereinfachte Skizze zur Veranschaulichung des Strahlengangs einer optischen Vorrichtung 100 unter Verwendung einer reflektiven Strahlaufweitungsoptik 165, 166 gezeigt. Im Unterschied zu den vorhergehend erläuterten Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 3 bis 9 weist das Ausführungsbeispiel der Fig. 10 keine Umordnungseinheit 130, 140 auf. Die einzelnen parallelen Strahlbündel der Strahlquelle 110 werden lediglich über der Strahlquelle 110 Kollimator 120 direkt auf ein abbildendendes optisches Element 155 geleitet, von wo aus die Strahlbündel über eine Strahlaufweitungsoptik 165, 166, in Form eines reflektiven Teleskops das zwei Parabolspiegel umfasst, zum Objektiv 170 weitergeleitet werden, über welches die Strahlen in eine Bildfläche 190 fokussiert werden.

Die Forschungsarbeiten, die zu diesem Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.

Bezugszeichenliste:

100 optische Vorrichtung

110 Quelle

120 a .. b Kollimator

130 a .. b verstellbare Spiegel

140 ortsfester starrer Spiegel

150 Abbildendes optisches Element

155 abbildendes optisches Element (Parabolspiegel)

170 Abbildungs-Optik, Objektiv

190 Bildfläche bzw. Bildebene

161 , 162 Strahlaufweitungsoptik (refraktives Teleskop)

165, 166 Strahlaufweitungsoptik (reflektives Teleskop)

POS 1..4 Position der Strahlbündel vor einer Umordnung

POS 1‘..4‘ Position der Strahlbündel nach einer Umordnung

T1 eingangsseitiges optisches Element (161) bzw. eingangsseitige

Linse Teleskop

T2 ausgangsseitiges optisches Element (162) bzw. ausgangsseitige

Linse Teleskop f _OE Brennweite des optischen Elements (150)

f _T,1 Brennweite des eingangsseitigen optischen Elements T1 f _T,2 Brennweite des ausgangsseitigen optischen Elements T2

D Durchmesser

D Abweichung

q Winkel

l Wellenlänge

Quellpunkte bzw. Quellposition

Zielpunkte bzw. Zielposition auf der Bildfläche (190)

R _{c_mirr} Radius Parabolspiegel (Brennweite)

Positionen auf dem abbildenden optischen Element

Positionen auf dem abbildenden optischen Element