DD160585A3 - Verfahren zur bestimmung des brechungsindexprofils transparenter zylindrischer staebe und anordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindexprofils transparenter zylindrischer Staebe und eine Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens. Die Aufgabe der Erfindung, ein Meszverfahren und eine Anordnung zu schaffen, die bei geringem apparativem Aufwand eine hohe raeumliche Aufloesung der zu untersuchenden transparenten zylindrischen Staebe ermoeglicht, wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz bei einem vorzugsweise in einem indexangepaszten Medium eingebetteten Stab, der mit parallelem, Licht beleuchtet wird und die Ablenkwinkel der Lichtstrahlen nach Durchlaufen des Stabes zur Berechnung des Brechungsindexprofils verwendet werden, der Ablenkwinkel mit Hilfe der Ortskoordinaten einer Blende, die im Abbildungsraum angeordnet wird, in den die Stabmittenebene mittels eines Abbildungssystems abgebildet wird, und der Ortskoordinaten eines die Lage des durch die Blende erzeugten Beugungsbildes charakterisierenden Punktes in einer Empfaengerebene bestimmt wird.

Description

Müller, Dr. Dipl.-Phys. Hans-Rainer G Ol N 21/00 Röpke, Dr. Dipl.-Phys. Ulrich G 01 M 11/02

G 02 B 5/14 P 796/a 11. 2. 1931

Titel der Erfindung

Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindexprofils transparenter zylindrischer Stäbe und Anordnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindexprofils transparenter zylindrischer Stäbe und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung findet Anwendung bei der Untersuchung von Preformen für optische Lichtleitfasern bzw. den Fasern selbst, insbesondere, wenn diese einen Brechungsindexgradient aufweisen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Die optischen Eigenschaften transparenter zylindrischer Stäbe, wie z. B. die für die Herstellung optischer Glasfasern benötigten Preformen, werden durch den Brechungsindex als Funktion des Radius bestimmt. In den letzten Oahren gewann die genaue und zerstörungsfreie Messung dieser Größe zunehmend an Bedeutung. Besondere Probleme traten dabei bei der Erhöhung der radialen Auflösung auf (Auflösung besser als 20 ,um). In /Chu, P. L.; Nondestructive measurement of index profile of an optical fibre preform", Electronics Letters 13_ (1977) S. 736/ wird ein Verfahren angegeben, bei dem die Probe mit einem fokussierten Lichtstrahl transversal abgetastet und die Ablenkung dieses Lichtstrahls aus der ursprünglichen Richtung gernessen wird. Stärkere Inhomogenitäten in der Probe stören die Fokussierung und führen zu unbefriedigenden Ergebnissen. In US-PS 4.181.433 wird eine Meßmethode be-

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schrieben, bei der die Intensität des transversal durch die Probe hindurchgegangenen Lichtes als Funktion des Ortes gemessen wird. Überkreuzungen der Lichtstrahlen und Beugung begrenzen das Auflösungsvermögen relativ stark, so daß nur ein gemitteltes Brechzahlprofil gemessen wird. In /Sasaki, I.; Payne, D. N.; Adams, M. I. "Measurement of refractive index profiles in optical fibre preforms by special filtering technique", Electronics Letters I₁O (1980) S. 219/ wird ein Meßverfahren angegeben, das mit Schlierenblenden arbeitet, um den Ablenkwinkel der Lichtstrahlen in der Probe zu erfassen. Auch in diesem Fall liegt die Auflösungsgrenze oberhalb von 20 ,um. Eine hohe radiale Auflösung (bis 5 ,um) wird mit einem inte rferometrischen Verfahren erreicht /Kokubun, Y.; Iga, K. "Refract ive-index profile measurement of preform rods by a transverse differential interf erogram", Appl. Optics _19_ (1980) S. 846/. Nachteilig ist der hohe Aufwand für die Apparatur bei dieser Messung.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren und eine Anordnung zu schaffen, die bei geringem apparativen Aufwand eine hohe räumliche Auflösung der zu untersuchenden transparenten zylindrischen Stäbe ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei'vorzugsweise in einem indexangepaßten Medium eingebetteten transparenten zylindrischen Stab, der mit parallelen, zumindest einen Teil des Stabdurchmessers ausleuchtenden-}, Licht beleuchtet wird und die Ablenkwinkel der Lichtstrahlen nach Durchlaufen des Stabes zur Berechnung des Brechungsindexprofils verwendet werden, dadurch gelöst, daß der Ablenkwinkel mit Hilfe der Ortskoordinaten einer Blende, die im Abbildungsraum angeordnet wird, in den die Stab-

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mittenebene mittels eines Abbildungssystems abgebildet wird, und der Ortskoordinaten eines die Lage des durch die Blende erzeugten Beugungsbildes charakterisierenden Punktes in einer Empfängerebene bestimmt wird, wobei als Blende vorzugsweise ein Spalt verwendet wird und die Ortskoordinate des Spaltes bzw. des dazugehörigen Ortes in der Stabmittenebene und die Ortskoordinate der Beugungserscheinung, insbesondere durch die Schwerpunkte der Intensitätsverteilung des Lichtes im Spalt bzw. in der Empfängerebsne bestimmt wird. Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendige erfindungsgemäße Anordnung ist derart gestaltet, daß nach einer paralleles Licht aussendenden Lichtquelle die zu untersuchenden zylindrischen Stäbe, vorzugsweise in einem indexangepaßten Medium eingebettet, bewegbar angeordnet sind, sich danach ein optisches Abbildungssystem befindet, danach eine Blende angeordnet ist und danach ein Empfänger, der den Ort des Beugungsbildes erfaßt, positioniert ist, dem übliche Registrier- und Auswerteeinrichtungen nachgeordnet sind. Bevorzugt besteht die Anordnung aus einem cw-Laser als Lichtquelle, einem Spalt als Blende, wobei dieser parallel zur Achse des zu untersuchenden zylindrischen Stabes liegt. Eine bevorzugte Abbildung der senkrecht zur optischen Achse stehenden f-iittenebene des Stabes ist-die, wenn der Spalt in der Abbildungsebene angeordnet ist. In Abhängigkeit vom Empfänger, der die durch den Spalt hervorgerufene Beugungserscheinung registriert, erfolgt eine Nachführung des Empfängers nach der Beugungserscheinung mittels üblicher Steuer- und Regelvorrichtungen. Es sind aber auch andere Registriereinrichtungen möglich, die aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung keine Nachführung benötigen. Danach befinden sich übliche Auswerteeinheiten, die mittels bekannter Integraltransformationen eine Umrechnung der Ablenkwinkel in Brechungsindexwerte vornehmen. Im Heßbetrieb funktioniert die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens .vie folgt. Die vom Laser aus-

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gehenden ebenen Wellenfronten durchdringen zumindest in einem Teilbereich - aber auch der gesamte Stabquerschnitt ist möglich - den in einem indexangepaßten Medium - z. B. Glyzerin - angeordneten zu untersuchenden transparenten, aus vielen Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes aufgebauten, zylindrischen Stab, das durchgehende Licht wird mit Hilfe des Abbildungssystems in die Abbildungsebene abgebildet, in der bevorzugt die Blende, insbesondere Spaltblende, angeordnet ist, dadurch wird praktisch ein Strahl, der einem bestimmten Ort des Stabes entspricht, ausgelesen. In einem vom Fachmann leicht bestimmbaren günstigen Abstand vom Spalt befindet sich nun ein Empfänger, der die Beugungserscheinung, bzw. einen markanten Punkt der Beugungserscheinung, registriert, durch dessen Ortskoordinate und der des Spaltes dann der Ablenkwinkel bestimmt wird. Der Stab wird langsam in Richtung seines Radius senkrecht zur optischen Achse bewegt, wodurch eine Vielzahl verschiedener Ablenkwinkel ermittelt werden, die durch übliche Rechenverfahren den Brechungsindexverlauf im zu untersuchenden Stab ergeben. Die Dicke des Stabes begrenzt das erfindungsgemäße Verfahren nicht; es lassen sich beispielsweise auch Fasern mit Durchmessern in der Größenordnung von 100 ,um vermessen. Die Erfindung ist aber nicht nur auf eine derartige Erreichung der Ablenkwinkel in Abhängigkeit vom Ort des Stabes beschränkt; das dargestellte Vorgehen ist lediglich das bevorzugte. Der erfindungsgemäße Gedanke läßt sich in gleicher Weise durch eine Relativbewegung des Spaltes senkrecht zur optischen Achse und zur Stabachse bei sonst feststehenden Anordnungsteilen realisieren. Die erfindungsgemäße Lösung ist auf keine bestimmte Wellenlänge des für die Untersuchung verwendeten Lichts beschränkt. Die Wellenlänge kann auch außerhalb des Sichtbaren liegen, lediglich die.Dimensionierung der erfindungsgemäßen Anordnung ist mit der Wellenlänge in bekannter Weise korreliert.

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Ausführüngsbeispie le

Fig. 1 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform dar Erfindung. Als Lichtquelle wird ein He-Ne-Laser 1 mit einer Divergenz kleiner als 0,1° verwendet. Das Laserlicht fällt auf die Probe 2, die sich in einer Küvette 3 mit zwei parallelen·Fenstern 4 befindet; diese Fenster stehen senkrecht zum Strahl· In der Küvette befändet sich z. B. Glyzerin, wenn die äußeren Schichten der Probe aus Quarz bestehen. Ein Mikroskopobjektiv 5 der Vergrößerung S χ mit einer Apertur von 0,2 bildet die Mittenebene S der Probe 2 in die Ebene 7 des Spaltes S ab. Der Spalt hat eine Breite von 32 um und läßt damit Licht passieren, das aus einem Ortsbereich der Ebene 6 von 4 ,um Breite kommt. Das durch den Spalt tretende Licht läuft in einer Richtung weiter, die durch die optischen Eigenschaften der Probe 2 und des Objektivs 5 bestimmt wird. In der Ebene 9 des Detektors entsteht ein Beugungsbild des Spaltes. Die Position dieses Beugungsbildes kann durch den Differentialdetektor 10 genau fixiert werden. Die gesamte Messung läuft nun so ab, daß man die Küvette 3 mit der Probe 2 mit Hilfe eines Vortriebes 11 senkrecht zur optischen Achse 12 verschiebt und mit Hilfe eines Servoverstärkers 13 und eines Motors 14 den Detektor ständig dem Beugungsbild nachführt. Die Orte der Probe 2 und des Detektors 10 werden mit geeigneten Sensoren, z. B. VVendelpotentiometern 15, 16, die mit den Vortrieben von Küvette bzw. Detektor gekoppelt sind, aufgenommen und registriert. Verwendet man einen x-y-Schreiber 17, erhält man eine Kurve des Ablenkwinkels in Abhängigkeit vom Ort in der Probe. Diese Kurve kann nach bekannten Techniken der Integraltransformation in die Brechungsindexwerte in Ortsabhängigkeit umgerechnet werden. Mit der angegebenen Ausführung wurden noch Details im Bnechzahlverlauf von 4 ,um Ausdehnung nachgewiesen. Die Genauigkeit der Winkelmessung wird durch den Detektor und die mechanischen Bauteile bestimmt und kann bei Verwendung moderner Bauteile ohne Schwierigkeiten auf _* 0,02° gebracht wer-

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den, bei einem meßbaren .Winkelbereich von +_ 8 .

2. Bei einer zweiten möglichen Ausführung wird als Lichtquelle eine Glühlampe verwendet, aus deren Licht ein·· geeigneter Kollimator einen Strahl mit einer Divergenz kleiner 0,2° ausblendet. Die Auswahl der gewünschten Wellenlänge erfolgt durch ein__i. Filter mit engem spektralen Durchlaßbereich, das nach einem Kollimator in den Strahlengang eingeschoben wird. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere geeignet, wenn die Wellenlängenabhängigkeit der Brechungsindexverteilung bestimmt werden soll. Die Anordnung der optischen Elemente und die Auswertung kann wie im ersten Ausführungsbeispiel erfolgen.

3.In einer dritten möglichen Ausführung sind der Laser, die Küvette mit Probe, das Objektiv und der Spalt wie im ersten Beispiel angeordnet. Als Empfänger wird aber eine ortsfeste Fernsehkamera verwendet, deren lichtempfindliche Fläche so angeordnet ist, daß bei allen möglichen Ablenkungen des Lichtes durch die Probe das Beugungsbild des Spaltes noch auf dieser Fläche liegt. Der Fernsehkamera ist eine elektronische Einrichtung angeschlossen, die die Helligkeitssignale mindestens einer Zeile digitalisiert und die Vierte einem geeigneten Mikroprozessor oder Tischrechner zuführt. Diese Recheneinrichtungen sind so programmiert, daß sie aus der Folge der unterschiedlichen Helligkeitssignale die Position des Beugungsbildes berechnen. Diese Position wird durch eine geeignete Ausgabeeinheit, z. B. einen angeschlossenen Drucker ausgegeben und ergibt zusammen mit der gleichzeitig registrierten Position der Probe den gewünschten Zusammenhang zwischen Ablenkwinkel und Ort in der Probe; dieser Zusammenhang wird wieder in bekannter Weise ausgenutzt, um die Ortsabhängigkeit des Brechungsindex in der Probe zu berechnen. Eine solche Ausf üh rungsf orrn empfiehlt sich besonders dann, wenn es dem Nutzer auf eine schnelle Datenerfassung und -verarbeitung ankommt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindexprofils transparenter zylindrischer Stäbe, die vorzugsweise in einem indexangepaßten Medium eingebettet werden und senkrecht zur Stabachse mit parallelem, zumindest einen Teil des Stabdurchmessers ausleuchtenden Licht beleuchtet werden, und die Ablenkwinkel der Lichtstrahlen nach Durchlaufen des Stabes zur Berechnung des Brechungsindexprofils verwendet werden, gekennzeichnet dadurch, daßder Ablenkwinkel mit Hilfe der Ortskoordinaten einer Blende, die im Abbildungsraum angeordnet wird_/in den die Stabmittenebene mittels eines Abbildungssystems abgebildet wird, und der Ortskoordinaten eines die Lage des durch die Blende erzeugten Beugungsbildes charakteriserenden Punktes in einer Empfängerebene bestimmt wird.

2. Verfahren nach Punkt i, gekennzeichnet dadurch, daß die Ortskoordinate der Blende bzw. das dazugehörigen Ortes in der Stabmitte und der Beugungserscheinung durch die Schwerpunkte der Intensitätsverteilung des Lichtes in der Slende bzw. in der Empfängerebene bestimmt wird.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Blende vorzugsweise ein Spalt verwendet wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß nach einer paralleles Licht aussendenden Lichtquelle die zu untersuchenden zylindrischen Stäbe, vorzugsweise in einem indexangepaßten Medium eingebettet, bewegbar angeordnet sind, sich danach ein optisches Abbildungssystem befindet, danach eine Blende angeordnet ist und danach ein Empfänger, der den Ort des Beugungsbildes erfaßt, positioniert ist, dem übliche Registrier- und Auswerteeinrichtungen nachgeordnet sind.

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5. Anordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Lichtquelle ein cvv-Laser ist.

6. Anordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Blende eine Spaltblende ist.

7. Anordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Bewegbarkeit der zylindrischen Stäbe mittels Hotor in senkrechter Richtung zur optischen Achse und parallel zum Stabradius vorgesehen ist.

8. Anordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Abbildungssystem die zur optischen Achse senkrecht stehende Mittenebene des zylindrischen Stabes vorzugsweise in die Spaltebene abbildet.

9. Anordnung nach Punkt 4 und S, gekennzeichnet dadurch, daß der Spalt der Spaltblende parallel zur Achse des zylindrischen Stabes verläuft.

10. Anordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß

die Empfängereinrichtung mittels üblicher Steuer- und Regelvorrichtungen, der durch den Spalt' hervorgerufenen Beugungserscheinung, insbesondere deren Schwerpunkt ,. folgt .

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