DE4004986C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1.
Für verschiedene technische Fragen ist es erforderlich, die Winkelvertei
lung der von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle in den Halbraum
abgegebenen Strahlungsintensität zu messen. So kann z. B. die Frage nach
der Apertur eines Lasers oder der Feldverteilung am offenen Ende eines
zylindrischen Hohlleiters von Interesse sein.
Für den Glasfaseranwender ist insbesondere die Kenntnis des Fernfeldes
einer Glasfaser von fundamentaler Bedeutung (siehe hierzu H. G. Unger:
Optische Nachrichtentechnik Teil II, Hüthig-Verlag Heidelberg, 1985,
S. 693). Die von einer Glasfaser transportierte elektromagnetische
Wellenerscheinung tritt an der Faserstirnfläche aus und geht durch Beugung
in das Fernfeld über.
Das Fernfeld einer Monomodefaser z. B. ist die Fourier-Hankel-Transformier
te der transversalen Feldverteilung der (einzigen) elektromagnetischen
Eigenschwingung (Mode) dieser Faser, wie sie in der Faser und an der
Stirnfläche herrscht. Durch Rücktransformation kann man aus dem Fernfeld
auf diese Feldverteilung schließen, die i. a. mikroskopische Ausmaße (ei
nige µm Halbwertsbreite) hat.
Im Prinzip läßt sich das Fernfeld durch Abrastern eines Hauptschnittes
bestimmen (Hauptschnitt: Schnitt senkrecht zur Faserstirnfläche, der die
durch die Faserachse vorgegebene optische Achse enthält). Diese Methode
stößt jedoch auf Schwierigkeiten. Die gemessene Intensität fällt mit stei
gendem Winkel rasch zu kleinen Werten ab. Die Information über diese unter
großen Winkeln gemessenen Intensitäten ist aber notwendig, da diese in die
Formeln zur Auswertung des Fernfeldes, siehe z. B. C. Pask: Physical Inter
pretation of Petermann's Strange Spot Size for Single-Mode Fibres, Elec
tronics Letters, Vol. 20, No. 3, 1984, S. 144-145, stark gewichtet
eingehen.
Aus der DE-OS 24 24 838 ist eine Lichtdetektoranordnung zur Erfassung von
Strahlung mit rotationssymmetrischer Feldverteilung bekannt, die sich aus
einem zentralen Lichtdetektor und einem oder mehreren ringförmigen Licht
detektoren, die koaxial um diesen Lichtdetektor angeordnet sind, zusammen
setzt. Mit Hilfe dieser Anordnung, die ihren Einsatz bevorzugt in der
Faseroptik zur Bestimmung der Verzögerungsverzerrung eines Lichtwellenlei
ters finden soll, sollen sich in einfacher Weise die sich z. B. in einer
Faser längs unterschiedlicher Wege ausbreitenden Bestandteile (Modi) eines
Lichtsignals unabhängig voneinander erfassen lassen. Dabei wird die
Tatsache genutzt, daß unterschiedliche Modi am Faserende unter
verschiedenen Winkeln abgestrahlt werden. Diese Anordnung ist aus den
bereits oben beschriebenen Gründen zur Bestimmung des Fernfeldes einer
Glasfaser ungeeignet.
Es liegt nahe, die Rotationssymmetrie des elektromagnetischen Feldes auszu
nutzen. Dies geschieht z. B. bei der Methode der variablen Apertur.
Hierbei wird die Intensität der Strahlung, die eine hinter der
Faser angebrachte Blende passiert, in Abhängigkeit von deren Öffnungswin
kel gemessen. Alternativ kann man auch eine feste Apertur wählen und die
Intensität längs der optischen Achse hinter der Apertur aufnehmen. Diese
Methode erfaßt so zwar das gesamte unter einem bestimmten Winkel zur opti
schen Achse abgestrahlte Licht; letzteres muß aber durch Differentiation
der gewonnenen Kurve nach dem Öffnungswinkel errechnet werden. Dies führt
zu einem stark fehlerbehafteten Ergebnis (zur Frage der Fehlertheorie bei
numerischer Differentiation s. Lehrbücher der Numerik).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, welches
als Meßwert direkt die Intensität der gesamten, unter einem bestimmten
Winkel zur Symmetrieachse abgegebenen Strahlung liefert und dabei insbe
sondere auch die schwachen Intensitäten der unter großen Winkeln abgegebe
nen Strahlung möglichst rauscharm erfaßt.
Die Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren
gelöst.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß ein Kegel aus einem im
zu untersuchenden Wellenlängenbereich transparenten Material die unter
einem bestimmten, nicht zu großen Winkel zu seiner Symmetrieachse auf seine
Grund- oder Mantelfläche auftreffende Strahlung in Richtung auf seine
Symmetrieachse umlenkt.
Nach der Erfindung leitet man daher die von der elektromagnetischen
Strahlungsquelle abgegebene Strahlung durch einen solchen Kegel (Axicon),
wobei der Kegel so angeordnet wird, daß seine Symmetrieachse auf der
Symmetrieachse des rotationssymmetrischen elektromagnetischen Feldes
liegt. Aus Symmetriegründen wird die gesamte von der Strahlungsquelle
unter einem bestimmten, nicht zu großen Winkel zur Symmetrieachse
abgegebene Strahlung durch den Kegel so umgelenkt, daß sie hinter dem
Kegel in einem Punkt auf der Symmetrieachse vereinigt wird. Weitergehende
fokussierende Eigenschaften besitzt der Kegel nicht, so daß die unter
verschiedenen Winkeln abgegebene Strahlung keinesfall auf gleiche Punkte
abgebildet wird.
Die in einem Punkt vereinigte Strahlungsintensität mißt man gemäß der
Erfindung mittels eines ebenfalls auf der Symmetrieachse angeordneten
Detektors.
Der zu einem Intensitätswert gehörige Strahlungswinkel läßt sich in ein
facher Weise aus der räumlichen Lage von Strahlungsquelle, Kegel und
Detektor ermitteln.
Der optische Kegel ist aus einem Material gefertigt, das im Bereich der
Strahlungswellenlänge der zu untersuchenden elektromagnetischen Strahlung
transparent ist, z. B. aus Glas oder Kunststoff. Abweichungen von der
idealen Kegelgestalt, z. B. in Form einer leichten Krümmung des Kegelman
tels in axialer Richtung beeinträchtigen die Wirkungsweise des Kegels in
der Regel nicht. Ebenso ist es möglich, einen Doppelkegel oder einen
Kegel, in dessen Grundfläche ein Hohlkegel eingelassen ist, zu verwenden.
Die zuletzt genannten Körper sind jedoch nur sehr aufwendig mit der erfor
derlichen Genauigkeit herzustellen. Die Abweichungen von der idealen
rotationssymmetrischen Gestalt sollten weniger als einige µm betragen, da
sonst die Meßgenauigkeit zu stark beeinträchtigt wird.
Unproblematisch für die Erfindung ist, daß ein Kegel nicht unendlich spitz
gearbeitet werden kann und er an seiner Spitze zwangsläufig etwas abgerun
det ist, etwa vergleichbar mit einem Paraboloid. Er bildet für achsennahe
Strahlen also eine sehr kurzbrennweitige Linse. Das unter einem Strah
lungswinkel α≈0 abgestrahlte Lichtbündel wird vor der Spitze des Kegels
fokussiert und divergiert sofort danach. Dadurch wird verhindert, daß es
sich längs der Symmetrieachse ausbreitet und die Messung stört.
Der Kegel kann auf der Symmetrieachse so ausgerichtet werden, daß die
Kegelspitze entweder auf die Strahlungsquelle oder aber auf den Detektor
weist. Beide Anordnungsmöglichkeiten sind gleichwertig. Es ergeben sich,
wie im Ausführungsbeispiel gezeigt wird, nahezu gleiche bevorzugte Berei
che für die Abmessungen des Kegels und die Brechzahl des Kegelmaterials.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der
Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine
Vorrichtung zur Bestimmung des Fernfeldes einer Glasfaser
mit einem Verfahren gemäß der Erfindung.
Die Vorrichtung besteht aus einer in den drei Raumkoordinaten verschieb
baren Halterung der Strahlungsquelle (1), einem Kegel aus einem im zu unter
suchenden Wellenlängenbereich transparenten Material (Axicon) und einem
ebenfalls in den drei Raumkoordinaten verschiebbaren, zum Nachweis der
elektromagnetischen Strahlung geeigneten Detektor (3).
Die optische Achse der Vorrichtung (= z-Achse) wird von der Symmetrieachse
des Kegels (2) definiert. Dessen Grundfläche ist im vorliegenden Beispiel
der Glasfaserstirnfläche zugewandt. Das Glasfaserendstück befindet sich in
einer für Glasfasern geeigneten Vakuumhalterung, von der es seitlich ange
saugt wird. Diese ist so angeordnet, daß die Achse des Faserendstücks
parallel zur optischen Achse ist und durch Verschiebung mit letzterer zur
Deckung gebracht werden kann.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Kegels (2) befindet sich als Detektor
(3) eine Photodiode, die so gehaltert ist, daß ihre lichtempfindliche
Fläche senkrecht zur optischen Achse steht. Die Symmetrieachse dieser Photo
diode wird durch Verschiebung der Halterung mit der optischen Achse zur
Deckung gebracht. Die Figur zeigt das Prinzip der Methode mit drei
ausgewählten Strahlengängen (4, 5) und (6), wobei der eine (4) bei der
vorliegenden Einstellung auf den Detektor (3) führt. Die Entfernung s₂ von
der bildseitig liegenden Spitze des Kegels (2) zum Fokus des unter dem
Winkel α zur optischen Achse abgestrahlten Lichtes gewinnt man wie folgt
aus dem Abstand s₁ zwischen Faserstirnfläche und der Grundfläche des
Kegels.
Die Formeln werden der Einfachheit halber numerisch ausgewertet. Für die
umgekehrte Anordnung des Kegels können Gleichungen in ähnlicher Weise ab
geleitet werden.
Aus der Figur, siehe insbesondere den Strahlengang (6), ist ersichtlich,
daß es einen oberen Grenzwinkel αg für die zu untersuchende Strahlung
gibt. Nur Strahlung, die unter einem kleineren Winkel als αg auf den
Kegel (2) auftrifft, konvergiert auf dessen Bildseite und ist damit der
Messung zugänglich. Strahlung, für die α größer als αg ist, wird dagegen
divergent gestreut. Im Grenzfall, d. h. α=αg, verläuft der bildseitige
Strahl parallel zur optischen Achse.
Für diesen Grenzfall können anhand der Abbildung (Strahlengang (6)) ein
fache mathematische Beziehungen aufgestellt werden, welche die Abhängigkeit
des Grenzwinkels von den Abmessungen des Kegels, d. h. der Höhe H und des
Radius R der Grundfläche, sowie der Brechzahl des Kegelmaterials beschrei
ben.
Nach dem Brechungsgesetz gilt:
Nach einigen Umformungen folgt daraus die Beziehung:
Aus Gleichung (1) erkennt man, daß für einen möglichst großen Grenzwinkel
αg die Brechzahl des Kegelmaterials möglichst groß und das Verhältnis
R/H möglichst klein sein sollte. R/H darf aber auch nicht zu klein gewählt
werden, da ab einem bestimmten Wert von R/H der Winkelbereich um α≈0
durch Totalreflexion ausgeblendet wird. Achsennahe Strahlung trifft in
etwa unter dem Winkel δ′ zur Flächennormalen auf die Grenzfläche
Kegelmaterial/Luft, wobei δ′ der Winkel zwischen Kegelgrundfläche und
Mantel ist; es gilt die Beziehung:
Um die Ausblendung der achsennahen Strahlung vollständig auszuschließen,
wird bevorzugt ein Kegel verwendet, welcher der Bedingung
genügt.
Die aus (2) resultierende Beschränkung von αg wird dabei in Kauf genom
men. Es kann jedoch auch sinnvoll sein, (2) durch eine schärfere Bedingung
zu ersetzen: In der Nähe der Totalreflexion sinkt die Intensität des
gebrochenen Strahls im Verhältnis zur Intensität des einfallenden Strahls
stark ab. Um von dieser Seite her keine Probleme zu bekommen, sollte das
Intensitätsverhältnis wenigstens 80% betragen.
Nach den Fresnelschen Formeln ergibt sich das Intensitätsverhältnis zwi
schen gebrochenem und einfallenden Strahl zu:
(δ′ ist, s. o., der Winkel zwischen dem längs der optischen Achse verlau
fenden Strahl und der Mantelflächennormalen des Axicons; f. d. Formeln
siehe z. B. Gerthsen, 16. Auflage, S. 514ff).
Mit
ergibt sich aus (3):
mit
Ein Vergleich von (2) und (4) zeigt, daß die "80%-Bedingung" ein größeres
R/H erfordert als die Bedingung (2).
Da aber wiederum R/H, um einen großen Winkelbereich abdecken zu können,
möglichst klein gewählt werden sollte, wählt man in einer bevorzugten
Ausführungsform R/H nicht noch größer, als es sich nach (4) ergibt, son
dern etwa genauso groß.
Es gilt dann
Ein Intensitätsverhältnis von etwa 80% stellt einen Kompromiß zwischen
einer für die Messung noch ausreichend großen Intensität der achsennahen
Strahlen und einem möglichst großen, noch durch die Messung erfaßbaren
Strahlungswinkel dar. Wird eine größere Intensität des gebrochenen Strahls
gewünscht, geht dies bei Vergrößerung von R/H auf Kosten des maximalen
Strahlungswinkels. Soll andererseits ein möglichst großer Strahlungswinkel
erfaßt werden, so hat dies bei Verkleinerung von R/H nicht nur eine Ver
minderung der Intensität der achsennahen Strahlung zur Folge, sondern kann
bei Unterschreiten des durch (2) gegebenen R/H-Wertes schließlich zu deren
vollständigen Ausblendung führen.
In der nachfolgenden Tabelle sind die für einige Brechzahlen n nach (5)
errechneten bevorzugten Abmessungen des Kegels sowie die aus beiden Größen
nach (1) bestimmten Grenzwinkel αg zu finden:
Man sieht, daß für n≈1,8 der Grenzwinkel einen Maximalwert von 0,370
(Bogenmaß) erreicht.
Für die Messung des Fernfeldes einer gebräuchlichen Monomodefaser sollte
αg mindestens 0,35 (Bogenmaß) betragen.
Eine solche Faser wird in der Regel für Übertragungen im sichtbaren Wel
lenlängenbereich, d. h. von etwa 400-800 nm oder in der optischen Nach
richtentechnik für Übertragungen im Wellenlängenbereich von etwa 1280 bis
1600 nm eingesetzt. Für diese Anwendung wird daher, wie aus der Tabelle
folgt, bevorzugt ein optischer Kegel verwendet, der im Wellenlängenbereich
von etwa 400 bis 1600 nm eine Brechzahl zwischen 1,7 und 1,9 und ein R/H-
Verhältnis zwischen 1,81 und 2,34 besitzt.
Die nachfolgenden Überlegungen zeigen, daß sich die gleichen Zusammenhänge
zwischen n, R/H und αg auch dann ergeben, wenn die Kegelspitze der
Strahlungsquelle nicht ab-, sondern zugewandt ist.
Für den Grenzwinkel läßt sich für diesen Fall aus einer zur Fig. 1 analo
gen Darstellung in einfacher Weise die Gleichung ableiten:
bzw. nach einigen Umformungen:
(sin αg) · (R/H) + cos αg = n (6)
Die prinzipielle Abhängigkeit von n und R/H ist wie oben: αg steigt mit n
und fallendem R/H.
Da die Strahlung höchstens streifend einfallen kann, gilt:
Es ist sinnvoll, das sich nach (6) ergebende αg größer als das sich nach
(7) ergebende zu machen. Sind beide gleich, heißt das, daß ein von rechts
achsenparallel einfallender Strahl an der Mantelfläche des Kegels total
reflektiert wird:
Das ist aber genau die Bedingung (2) von oben.
Man kann diese Bedingung so verstehen, daß auch fast streifend einfallende
Strahlung bildseitig noch konvergiert.
Da aber streifender Strahlungseinfall in der Praxis i. a. nicht vorkommt -
man wird immer einen gewissen Abstand zwischen der Strahlungsquelle und
der Spitze des Kegels einhalten -, ist das sozusagen eine "Brechzahlver
schwendung". Es genügt also ein kleineres n, bzw. R/H kann
größer sein als es aus
folgt, z. B. so groß, wie es durch
(5) für die umgekehrte Anordnung des Kegels vorgeschlagen wird.
Bei beiden Anordnungsmöglichkeiten des Kegels ergeben sich somit nahezu
die gleichen bevorzugten Bereiche für die Abmessungen und die Brechzahl.
Die aus (7a) folgenden Werte für αg weichen bei gegebenem R/H und n nur
geringfügig von den nach (1) für den umgekehrten Einbau ermittelten Werten
ab. Somit ist prinzipiell keine der beiden Anordnungsmöglichkeiten zu
bevorzugen.
Für das oben beschriebene Ausführungsbeispiel wurde ein Kegel aus Schwer
flintglas (n=1,75) mit den Abmessungen R=40 mm und R/H=2 verwendet.
Faserstirnfläche und Photodiode wurden in die optische Achse gebracht und
in die Positionen s₁ bzw. s₂ gefahren. Dann wurde der jeweilige Meßwert
aufgenommen. Die Auswertung der Meßergebnisse geschieht wie folgt: Wenn
I(α) die Intensität des Strahlungskegels mit Öffnungswinkel 2α ist,
bezeichnet I/α · 2 · δα die in den Winkelbereich α-δα, α+δα abge
strahlte Intensität.
Mit der in der Abbildung angegebenen Meßanordnung wird I/α · 2 · δα
gemessen, wobei δα von der jeweiligen Geometrie und dem Durchmesser der
Photodiode abhängig ist. I/α wird also aus dem Meßwert mittels Teilen
durch 2 · δα bestimmt.
δα erhält man wie folgt:
Befindet sich die Photodiode bei s₂, so empfängt sie nicht nur das bei s₂,
sondern das gesamte in einem Bereich s₂±δs₂ fokussierte Licht. Nimmt
man tan(β) für all diese Strahlen als ungefähr konstant an, so gilt
δs₂≈η/tan(β), wenn η der Halbmesser der Photodiode ist.
Es gilt δα=α/s₂ · δs₂, also:
s₂/δα wird durch numerische Differentiation bestimmt. δα ist das Maß
für die Auflösung beim jeweiligen Winkel. Man kann diese durch variable
Gestaltung von s₁ steuern. Wählt man s₁ kleiner, so rücken bildseitig die
Foci zusammen. In praxi wählt man vorteilhafterweise ein mit α fallendes
s₁, um einerseits bei kleinen α eine zu dichte Folge der Foci und eine
zu große Nähe der Photodiode zur Spitze des Kegels zu vermeiden, anderer
seits bei großen Winkeln noch messen zu können. Mit Hilfe der Fres
nelschen Formeln wird I/α noch bezüglich der Reflexionsverluste an den
beiden Seiten des Axicons korrigiert.
Man legt also den zu untersuchenden Winkelbereich fest, unterteilt ihn
(z. B.) äquidistant, legt zu jedem Winkel ein s₁ fest, berechnet das zuge
hörige s₂, mißt dort die Intensität und berechnet I/α.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch keinesfalls auf diese spezielle
Vorgehensweise beschränkt. Abhängig von der Problemstellung kann es z. B.
auch vorteilhaft sein, bei festem s₁ vorerst Intensitätswerte bei s₂
aufzunehmen und anschließend die zugehörigen Strahlungswinkel zu berech
nen. Das oben beschriebene Meßverfahren wurde problemlos in einen beste
henden Meßplatz zur Dämpfungsmessung an Glasfasern (zu dem die Lichtquelle
mit Monochromator und die Einkoppeloptik sowie ein Lock-In-Verstärker
gehören) integriert - die dort enthaltene Lichtauskoppeloptik wurde ein
fach durch die Axicon-Einheit ersetzt.
Das Bemerkenswerte dieser Methode liegt darin, mikroskopische Größen mit
einfachen Mitteln messen zu können, z. B. die o. a. Halbwertsbreite der
Feldverteilung der Eigenschwingung einer Monomodefaser. Dieses Ausfüh
rungsbeispiel begnügt sich mit der von einer Weißlichtquelle mit Monochro
mator lieferbaren Lichtintensität. Alle Bauteile und Abmessungen haben
makroskopische Ausmaße (die Photodiode hat einen Durchmesser von 1 mm,
typische Werte für s₁ und s₂ sind 10 mm-100 mm) und müssen nur auf
makroskopische Längen einstellbar sein (ca. ¹/₁₀ mm; es wird mit "billi
gen" x-y-z-Verschiebungen gearbeitet). Das Fernfeld der Glasfaser konnte
mit dieser Vorrichtung bis zu einem Winkel von 0,28 (Bogenmaß) ausgemessen
werden.
Claims (4)
1. Verfahren zur Bestimmung der Intensität der von einer Strahlungsquelle
unter einem bestimmten Winkel zu ihrer Symmetrieachse der Strahlungsquelle
abgegebenen elektromagnetischen Strahlung, die eine bezüglich
der Symmetrieachse der Strahlungsquelle rotationssymmetrische Feld
verteilung aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung durch einen Kegel aus einem im zu untersuchenden Wellenlängenbereich transparenten Material leitet, dessen Symmetrieachse auf der Symmetrieachse des elektromagnetischen Feldes liegt, und die Intensität der hinter dem Kegel austretenden, in Richtung auf die Symmetrieachse umgelenkten Strahlung mittels eines auf der Symmetrieachse angeordneten Detektors mißt,
wobei man den zu einem Intensitätswert gehörigen Strahlungswinkel aus der räumlichen Lage von Strahlungsquelle, Kegel und Detektor ermittelt.
dadurch gekennzeichnet,
daß man die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung durch einen Kegel aus einem im zu untersuchenden Wellenlängenbereich transparenten Material leitet, dessen Symmetrieachse auf der Symmetrieachse des elektromagnetischen Feldes liegt, und die Intensität der hinter dem Kegel austretenden, in Richtung auf die Symmetrieachse umgelenkten Strahlung mittels eines auf der Symmetrieachse angeordneten Detektors mißt,
wobei man den zu einem Intensitätswert gehörigen Strahlungswinkel aus der räumlichen Lage von Strahlungsquelle, Kegel und Detektor ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kegel verwendet wird, dessen Abmessungen der Bedingung
genügen, wobei R der Radius der Grundfläche, H die Höhe des Kegels
sowie n die Brechzahl des Kegelmaterials im Wellenlängenbereich der zu
untersuchenden Strahlung sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis von Radius der Grundfläche des Kegels zur Höhe des Kegels in
etwa der Beziehung
folgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Untersuchung des Fernfeldes einer Glasfaser ein Kegel aus
Glas mit einer Brechzahl von 1,7 bis 1,9 im Wellenlängenbereich von
400-1600 nm und einem R/H-Verhältnis von 1,81 bis 2,34 verwendet
wird.
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- 1990-02-19 DE DE19904004986 patent/DE4004986A1/de active Granted
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