DE3042795C2 - Mehrschichtige Lichtleitfaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser mit einem Monomodekern vom Brechungsindex /ii, einem ersten Mantel vom Brechungsindex ni und mit sehr viel größerem Durchmesser als der Kern, und mit einem zweiten Mantel vom Brechungsindex /13, wobei /7j</J2</7|gilt

Aus der Ofir.k ist bekannt, daß interferometrische Meßeinrichtungen zu den empfindlichsten und genauesten gehören, was im wesentlichen auch für faseroptische Interferometer zutrifft ir einem derartigen Faser-Interferometer dient ein Laser als Lichtquelle, dessen Licht polarisiert, an einem Strahlenteiler in zwei Lichtstrome aufgespalten und durch zwei Lichtleitfasern geschickt wird. Eine von diesen Fasern dient als Meßfaser, welche dem Einfluß einer Meßgröße, z. B. Druck oder Temperatur, ausgesetzt wird und dadurch eine Längenänderung bzw. Brechzahländerung erfährt, wodurch eine Phasenverschiebung des transmittiertcn Lichtes auftritt Die andere Faser dient als Vergleichsfaser. Die an den Faserenden austretenden Lichtströme werden an einem weiteren Strahlenteiler überlagert und treffen schließlich auf zwei Detektoren. Die Detektorsignale sind proportional zu cos²4<ß und %\η²ΔΦ, aus denen eine an sich bekannte Elektronik die Phasenverschiebung ΔΦ und damit die zu erfassende Meßgröße errechnet

Ein Nachteil derartiger, mit polarisiertem Laserlicht arbeitender Interferometer besteht darin, daß zwei Lichtleitfasern und zwei aufwendig zu justierende Strahlenteiler erforderlich sind und zudem die Polarisationszuslände der beiden an den Faserenden austretenden Lichtleiterströme im allgemeinen verschieden sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lichtleitfaser für Modeninterferenzverfahren zu schaffen, mit welcher, ähnlich wie bei einem sog. faseroptischen Sagnac-Interferometen auf eine Referenzfaser verzichtet und der Justieraufwand erheblich vermindert werden kann und welche zur Durchführung des Modeninterferenzverfahrens kein polarisiertes Licht benötigt. Diese Aufgabe erfüllt eine nach den Patentansprüchen ausgebildete Lichtleitfaser.

Die bisher bei Modeninterferenzverfahren verwendeten Stufcnindexfasern sind für die Zwecke der Nachrichtenübertragung optimiert, so daß die Wechselwirkungslänge der einzelnen Moden mit der zu untersuchenden Meßgröße annähernd gleich ist und daher keine erheblichen Phasendifferenzen zwischen den Moden auftreten. Außerdem entsteht durch die Vielzahl der ausbreitungsfähigen Moden auf dem Detektor eine komplizierte Interferenzstruktur, was die Meßauswertung erschwert Bei der erfindungsgemäßen Lichtleitfaser wird der Kern als Monomodefaser mit

ίο Stufenindexprofil und der erste Mantel als Gradientenfaser verwendet wodurch bei einfacher Modenstruktur ein hoher Laufzeitunterschied zwischen den in den beiden unabhängigen Lichtleiterbereichen transmitter· ten Moden ermöglicht wird.

!5 Aus der DE-OS 29 45 804 ist zwar eine Lichtleitfaser mit zwei, einen Kern konzentrisch umgebenden. Mantelschichten bekannt, deren Brechungsindexe in radialer Richtung stufenweise abfallen. Jedoch ist auch diese Faser nur für den Monomode-Betrieb geeignet

Die Ankopplung eines erfindungsgemäßen Lichtleiters an einen Laser zur Durchführung eines Modeninterferenzverfahrans ist unproblematisch. Die auf die Eintrittsfläche des inneren Lichtleiterbereiches auftreffenden Lichtstrahlen, deren Einfallswinkel relativ zur Faserachse den durch die numerische Apertur gegebenen Grenzwinkel der Totalreflexion überschreiten, werden an der Grenzschicht zum konzentrischen zweiten Lichtleitei bereich nicht mehr total reflektiert und gelangen daher in diese Faserschicht

Durch eine geringe Laufzeitdispersion in jedem einzelnen Lichtidterbereich ist gewährleistet, daß die charakteristischen Merkmale des eingekoppelten Signals bei der Transmission im wesentlichen erhalten bleiben.

Da der innere, den Kern der Lichtleitfaser bildende Bereich ein Stufenindexprofil und der den Kern konzentrisch umgebende Lichtleiterbereich ein Gradientenindexprofil aufweist werden Lichtstrahlen, deren Einfallswinkel relativ zur Faserachse den durch die numerische Apertur

A„=Vn]-ni

gegebenen Grenzwinkel der Totalreflexion d = arc sin A_n überschreiten an der Grenzschicht zwischen dem Faserkern mit dem Brechungsindex />■ und der konzentrischen Gradientenfaserschicht, deren radiusabhängiger Brechungsindex hier zur Bildung einer Stufe /J2< /ii beträgt nicht mehr total reflektiert und gelangen so daher in die konzentrische Gradientenfaserschicht Der Einfluß der von der Gradientenfaserschicht in den Faserkern gelangenden Strahlung ist vernachlässigbar gering. Für den Fall, daß die Gradientenfaserschicht von einer konzentrischen Mantelschicht mit konstantem Brechungsindex /u-cnj umgeben ist, beträgt der radiusabnängige Brechungsindex für die Gradientenfaserschicht

mit

und

lh <r<r₂

und wobei ti} der Brechungsindex der Gradientenfaserschicht an der Grenze zur äußeren Mantelschicht ist.

Eine Gradieritentaserschieht mit parabolischem Brechzahlverlauf bewirkt, daß sämtliche ausbreitungsfähigen Moden unabhängig von ihrer geometrischen Wellenlänge die gleiche optische Weglänge durchlaufen, so daß zwischen ihnen am Ende der Faser praktisch keine Laufzeitunterschiede auftreten. Die nach dem Modeninttrferenzverfahren meßbaren Phasenverschiebungen treten dann ausschließlich zwischen dem im einmodigen Faserkern transmittierten Mode und dem in der umgebenden Gradientenfaserschicht mit den gleichen Laufzeiten transmittierten Moden auf.

Wenn die Lichtleitfaser gemäß Anspruch 4 von einer weiteren Mantelschicht aus magnetostriktivem Material umgeben ist, so werden der Faser durch ein äußeres Magnetfeld Längenänderungen aufgezwungen, wodurch meßbare Phasenverschiebungen entstehen. Eine derartige Faser eignet sich daher besonders vorteilhaft als Magnetfeldsensor.

Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Lichtleitfasern sind an sich bekannt (z. B. DE-AS 23 52 003), so daß auch eine erfindungsgemäße Lichtleitfaser beispielsweise durch geeignete Beschichtung eines Glasrohres hergestellt werden kann, welches anschließend in eine Heizzone gebracht und auf den gewünschten Querschnitt gezogen wird.

In den nachfolgenden Figuren ist in teilweise schematischer Darstellung der Aufbau und das Brechzahlprofil eines erfindungsgemäßen Lichtleiters (Fig. 1) sowie ein mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter ausgestattetes Interferometer (F i g. 2) dargestellt

F i g. I zeigt in einem Querschnitt den Aufbau und darunter das Brechzahlprofil einer Lichtleitfaser mit zwei konzentrischen Lichtleiterbereichen I und H₁ welche, bezogen auf die Faserlänge, jeweils eine unterschiedliche Modenlaufzeit aufweisen. Die Faser besteht aus einem inneren Kern 1.1 mit einem konstanten Brechungsindex n_t und einem Durchmesser di. Der innere Kern 1.1 ist von einer zweiten Faserschicht 1.2 mit einem parabolischen Brechzahl verlauf zwischen /72 und rts umgeben, welcher einen max. Durchmesser dj aufweist Die Werte für n\ und /72 sowie für d\ sind so ausgelegt, daß der innere Bereich I eine Monomodefaser bildet Dies ist nach eine· bekannten Formel erreicht, wenn

Da die Gradientenfaserschicht \A am inneren Radius Π mit einem Brechungsindex m beginnt, welcher kleiner als der Brechungsindex n\ des Kernes t.l ist, kann damit auf einen gesonderten Brechungsindexsprung zur Erzeugung des einmodigen Lichtleiterbereiches verzichtet werden. Die Faserschicht 1.2 ist zur Bildung des Lichtleiterbereiches II mit Gradientenindexprofil von einer Faserschicht 13 mit konstantem Brechungsindex /it und einem max. Durchmesser di umgeben. An der Grenze zwischen den Faserschichten 1.2 und 1.3 tritt somit ein weiterer Sprung im Brechungsindex von /73 nach n< auf. Die gesamte Faser ist in bekannter V/eise von einem Schutzmantel 5 umgeben, welcher beispielsweise auch aus magnetostriktivem Material bestehen kann.

Typische Daten für einen druckempfindlichen Lichtleiter, der für eine interferometrische Messung mit Licht der Wellenlänge λ=0,85 μπι geeigne t ist, sind:

d\ = 3 μπι

dt = 150 μπι

/7i = 1,475

lh = 1,47

Jj₃ = 1,46

IU = 1,45

2/τ 4-(ηί-π² ₂)'⁴<2.405

ist, dabei bedeutet A die Wellenlänge des transmittierten Lichtes.

Die in Fig.2 dargestellte Einrichtung ist zur Durchführung eines Modeninterferenzverfahrens geeignet und weist neben der als Meßsensor dienenden Lichtleitfaser 1 mit zwei konzentrischen Lichtleiterbereichen I und II einen Laser 2, eine aus den Linsen 3 und 4 bestehende Einkoppeloptik, einen Detektor 6 und eine Auswerteelektronik 7 auf. Um eine gleichmäßige Ausleuchtung des Faserquerschnittes und eine wirkungsvolle Einkopplung des Laserlichtes zu gewährleisten, erfolgt die Beleuchtung der Faserstirnfläche vorzugsweise mit parallelem Licht. Nach Transmission durch die Sensorfaser 1 wird durch Überlagerung der au^ dem Monomodebereich austretenden Strahlung mit der aus dem Gradientenbereich austretenden im Fernfeld eine Interferenzfigur auf dem Detektor 6 erzeugt. Die durch die Meßgröße verursachten Phasenverschiebungen bewirken eine Veränderung des Interferenzbildes, z. B. Laufen des Interferenzstreifens, was nach bekannten Methoden ausgewertet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Lichtleitfaser mit einem Monomodekern vom Brechungsindex n_h einem ersten Mantel vom Brechungsindex % und mit sehr viel größerem Durchmesser als der Kern, und mit einem zweiten Mantel vom Brechungsindex D₃, wobei m<m<n\ gilt, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des ersten Mantels (1.2) in radialer Richtung von innen nach außen kontinuierlich abfällt

2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kern (1.1) und Mantel (1.2) eine geringe Laufzeitdispersion aufweisen.

3. Lichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brechungsindexprofil des ersten Mantels (1.2) parabolisch ist

4. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine weitere Mantelschicht (5) aus magnprostriktivem Material.