DE102007027301B4 - Verfahren und mikrotechnische Vorrichtung zur hochaufgelösten Messung der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Frequenzmessung elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise im Frequenzbereich optischer Strahlung und den daran angrenzenden Bereichen, dadurch gekennzeichnet, dass • die Strahlung einer Anzahl von Resonatoren (2, 5) zugeführt wird, deren Resonanzeigenschaften sich unterscheiden, • Resonatoren, deren Resonanzen im Frequenzbereich dieser Strahlung liegen, zum Leuchten angeregt werden, • dadurch im Feld der Resonatoren (2, 5) ein spezielles Leuchtmuster entsteht, das jeweils charakteristisch ist für einen bestimmten Frequenzbereich, • durch Vergleich des gemessenen Musters mit aus Kalibriermessungen gewonnenen Mustern die Frequenz der unbekannten Strahlung ermittelt wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Zur optischen Spektroskopie werden schon seit Jahrzehnten unterschiedliche Verfahren erfolgreich eingesetzt. Die physikalischen Grundlagen für die drei wichtigsten Methoden sind:
    • • Die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex transparenter Materialien.
    • • Die Wellenlängenabhängigkeit des Reflexionswinkels von Reflektoren mit periodischer Änderung des Reflexionsgrades.
    • • Mehrfachinterferenz an Spiegelschichten.
  • Die entsprechenden Geräte sind als Prismenspektrograph, Gitterspektrograph und Fabry-Perot Resonator allgemein bekannt und werden in den unterschiedlichsten Ausführungen von einer Reihe von Firmen kommerziell angeboten. Spektrographen bieten z. B. die Firmen Jobin-Ivon, Tristan Spectrometer, Ocean Optics, Oriel, Renishaw, Perkin-Elmer, Bruker Optics, Kaiser Optical System Inc., Digilab etc. an. Fabry-Perot Spektrometer werden z. B. von TecOptics, Thorlabs, IC Optical Systems etc. hergestellt oder vertrieben. Diese Geräte werden teilweise auch als Miniaturgeräte auf den Markt gebracht (Polytec, Eureca, Micron Optics). Ein weiteres Verfahren zur optischen Spektroskopie wird in den arrayed waveguide devices (AWD) verwirklicht. Dies sind lichtleitende Faserbündel, bei denen die Faserlängen so aufeinander abgestimmt sind, dass das Licht beim Austritt aus dem Faserbündel richtungsabhängig bei unterschiedlichen Wellenlängen konstruktiv oder destruktiv interferiert. Auch solche Geräte werden kommerziell angeboten, z. B. von Photeon Technologies.
  • In diesem Patent wird ein neues Verfahren beschrieben, das bei sehr kleinen Abmessungen (im Bereich weniger Millimeter) die Wellenlänge von elektromagnetischer Strahlung mit sehr hoher Auflösung, vergleichbar zu den großen Fabry-Perot Resonatoren (FPR) oder den AWD's, zu bestimmen gestattet. Das Auflösungsvermögen von Miniaturspektrometern ist deutlich geringer als das des hier beschriebenen Verfahrens. Das hier beschriebene Verfahren in seinen unterschiedlichen Ausführungsformen eignet sich vorzugsweise für den Einsatz im Wellenlängenbereich des Lichtes und den daran angrenzenden Bereichen. Im Gegensatz zu den Scanning Fabry-Perot Instrumenten besitzt es keine beweglichen Teile, der Einsatz hochreflektierender Spiegel und die damit verbundenen Justierprobleme entfallen. Das Licht wird nicht sequenziell analysiert, sondern alle Wellenlängen im Einsatzbereich des Instrumentes werden gleichzeitig analysiert. Das hier beschriebene Mikroresonatorarray, im Folgenden kurz als MRA bezeichnet, eignet sich daher auch zur Analyse von gepulster Strahlung. Im Vergleich zu den AWD ist das MRA sehr viel einfacher aufgebaut und billiger herzustellen. Eine Übersicht über die Wirkmechanismen und Leistungsfähigkeit der bisher beschriebenen miniaturspektrometrischen Vorrichtungen findet sich bei Wolffenbuttel [1].
  • Verglichen mit den Miniatur FPR benötigt das hier beschriebene Verfahren weder hochreflektierende Spiegel noch deren sorgfältige Justierung. Im Gegensatz zum Scanning-FPR erfolgt die Analyse der verschiedenen Wellenlängen zeitgleich und nicht sequenziell. Es eignet sich daher auch für die Wellenlängenmessung gepulster Strahlung. Der Unterschied zu den AWD besteht vor allem in seiner wesentlich einfacheren Bauart und damit der Möglichkeit Geräte, die nach dem hier beschriebenen Verfahren arbeiten, viel kostengünstiger auf den Markt zu bringen. Im Übrigen basiert ein MRA auf einem völlig anderen Funktionsprinzip wie die AWD.
  • Der Einsatz optischer Mikroresonatoren für Messzwecke ist bekannt. In DE 199 60 370 A1 wird eine Vorrichtung zur Temperaturmessung unter Verwendung eines optischen Mikroresonators beschrieben. Eine Vorrichtung zur Messung physikalischer Größen mittels Mikroresonatoren wird in DE 102 53 821 B3 beschrieben. Eine ähnliche Vorrichtung wird in US 2005/0265658 A1 beschrieben. Aus dieser Beschreibung ist u. a. der Einsatz nichtkugelförmiger Resonatoren bekannt. Aus keiner der genannten Veröffentlichungen wird ein Verfahren zur Bestimmung der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung bekannt.
  • In dieser Erfindung wird ein Verfahren beschrieben, das es ermöglicht, mit Hilfe eines Arrays aus Mikroresonatoren die Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise im Bereich der optischen Strahlung und den daran angrenzenden Bereichen, zu bestimmen. Die dabei erreichbare spektrale Auflösung ist bisher nur mit sehr viel größeren und kostspieligeren Vorrichtungen möglich.
  • Beschreibung des Verfahrens
  • In einem Material mit geschlossener Oberfläche, vorzugsweise einer Kugel, dessen Brechungsindex größer als der Brechungsindex des Umgebungsmediums, vorzugsweise Luft, ist, kann elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Strahlung im Bereich optischer Wellenlängen und den daran angrenzenden Gebieten, durch Totalreflexion an der Grenzfläche mit sehr geringen Verlusten umlaufen, wenn die Absorption im Material gering und der Krümmungsradius deutlich größer als die Wellenlänge der Strahlung ist. Sind die geometrischen Dimensionen, der Brechungsindex und die Wellenlänge so, dass nach jedem Umlauf die elektromagnetische Strahlung sich phasenrichtig überlagert, so spricht man von einer optischen Resonanz. Im englischen Sprachraum werden die dazugehörigen Eigenmoden auch WDM (morphology dependent modes) oder WGM (whispering gallery modes) genannt. Zu diesem Phänomen gibt es inzwischen eine umfangreiche Literatur. Umfassendere Darstellungen finden sich u. a. bei Ilchenko und Matsko [2] und Matsko und Ilchenko [3]. Im Folgenden werden jene Strukturen, in denen nach der oben gegebenen Beschreibung Resonanzen elektromagnetischer Strahlung auftreten, als Resonatoren bezeichnet und die Betrachtungen beschränken sich auf das Gebiet der optischen Strahlen und den daran angrenzenden Gebieten der Ultraviolett- bzw. Infrarotstrahlung. Im Resonanzfall kann die im Resonator gespeicherte Strahlungsenergie um viele Größenordnungen größer als im nichtresonanten Fall sein. Im Resonanzfall ist auch die elastische Streustrahlung, also die frequenzgleiche Streustrahlung, gegenüber dem nichtresonanten Fall erhöht, im Falle der inelastischen Streustrahlung (Ramanstreuung oder Fluoreszenz) ist der Anstieg der Streustrahlung gegenüber dem nichtresonanten Fall noch ausgeprägter. Die Güte dieser Resonatoren kann Werte von Q = 109 erreichen, entsprechend schmal sind die Resonanzbreiten. Dies bedeutet, dass kleine Änderungen der Wellenlänge die Anregung bzw. Nichtanregung einer Resonanz verursachen. Auf diesem Sachverhalt beruht die in diesem Patent beschriebene Methode der hochaufgelösten Wellenlängenmessung.
  • Eine mögliche Vorrichtung zur Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens ist in bzw. dargestellt. Die Vorrichtung besteht vorzugsweise aus einem Substrat (4) mit Streifenlichtleiter (3), mit oder ohne Umlenkeinheit (6) ( ) einer darauf platzierten Resonatorzeile oder einem Resonatorarray (5), sowie einer Detektorzeile bzw. einem Detektorarray (13). Diesem Substrat wird das zu analysierende Licht – wie in den bis dargestellt – vorzugsweise mit einer Lichtleitfaser (1) zugeführt. An Stelle der Lichtleitfaser und dem Substrat mit Streifenlichtleiter kann entsprechend der auch ein Hohlfaserlichtleiter verwendet werden. Das zu analysierende Licht wird so in den Streifenlichtleiter (3) bzw. die Hohlfaser (9), (10), (11) eingekoppelt, dass an seinen Außenseiten bzw. der Innenseite der Hohlfaser ein evaneszentes Feld entsteht. In diesem evaneszenten Feld werden die Resonatoren platziert. Die Resonatoren sind vorzugsweise kugelförmig bzw. nahezu kugelförmig und bestehen vorzugsweise aus Glas, Quarzglas oder transparentem Kunststoff und besitzen im Wellenlängenbereich, in dem sie zur Frequenzanalyse eingesetzt werden, eine sehr geringe Absorption und geringe Streuverluste. Ihr Durchmesser liegt vorzugsweise im Bereich von einigen bis einigen hundert Mikrometern und richtet sich nach dem Anwendungsfall. Eine Detektorzeile oder ein Detektorarray wird so angeordnet, dass jedes Detektorelement vorzugsweise nur von einem Resonator beleuchtet wird. Dies kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass die Detektoren (13) sehr nahe an den Resonatoren montiert werden (4). Zur Vermeidung von Übersprechen, also dass ein Detektorelement von mehreren Resonatoren beleuchtet wird, kann eine Lochmaske (14) eingesetzt werden ( ). Auch abbildende Systeme können eingesetzt werden. In den und sind Anordnungen skizziert, bei denen mit einem geeigneten optischen System (15) bzw. (16) das Resonatorfeld (5) auf das Detektorfeld (13) so abgebildet wird, dass jedes Detektorelement jeweils nur von einem Resonator beleuchtet wird. Dieser Zweck kann vorzugsweise durch Verwendung eines Mikrolinsenarrays (16) oder einer konventionellen Optik (15) erreicht werden.
  • Alle Resonatoren unterscheiden sich herstellungsbedingt aber auch gewollt in ihren Resonanzfrequenzen. Enthält das zu analysierende Licht eine Frequenz, die einer Resonanzfrequenz eines oder mehrerer Resonatoren entspricht, so werden diese zum Leuchten angeregt. Jede Frequenz im zu analysierenden Licht erzeugt auf diese Weise ein charakteristisches Leuchtmuster in der Resonatorzeile bzw. im Resonatorarray (5). Dieses Leuchtmuster wird von der Detektorzeile bzw. dem Detektorarray (13) detektiert, in ein entsprechendes elektronisches Signalmuster umgesetzt und zur Auswertung einem PC oder Mikrorechner zugeführt. In diesem wird das gemessene Muster mit einem durch Kalibrierung gewonnenen Datensatz verglichen. Bei der Kalibrierung wird der Sensor mit Licht bekannter Frequenz beleuchtet und das entsprechende Leuchtmuster der Resonatorzeile bzw. des Resonatorarrays (5) elektronisch aufgezeichnet und zusammen mit der Frequenz in einer Referenzbibliothek (Kalibrierungsbibliothek) abgespeichert. Bei der Messung wird das bei der Messung gewonnene Leuchtmuster mit den bei der Kalibrierung gewonnenen Datensätzen verglichen und das mit der größten Übereinstimmung ermittelt. Die diesem zugeordnete, in der Bibliothek abgespeicherte Wellenlänge entspricht der Wellenlänge der Messung. Das Auswerteverfahren umfasst auch Interpolationsalgorithmen. Die Genauigkeit bzw. Selektivität der Messmethode hängt u. a. von der Zahl der eingesetzten Resonatoren ab und kann leicht an die jeweils geforderten Werte angepasst werden. Auch der Einsatz fluoreszierender Resonatoren kann von Vorteil sein. Das durch Fluoreszenz angeregte Licht ist proportional zum Feld im Resonatorinneren. Das Fluoreszenzlicht kann daher deutlich größere Werte erreichen, als das frequenzgleich mit der zu untersuchenden Strahlung von den Resonatoren abgestrahlte Licht. Darüber hinaus ist durch entsprechende Wahl des Fluoreszenzbereiches eine Anpassung an die Empfindlichkeit des Detektors möglich. Schließlich kann durch Wahl der Substanz, mit der die Resonatoren dotiert werden, damit sie fluoreszieren, der Sensor selektiv empfindlich für einen bestimmten Wellenlängenbereich gemacht werden, nämlich jenen bei dem die Dotierungssubstanz absorbiert.
  • Literatur
    • 1. R. F. Wolffenbuttel, ”State-of-the-art in integrated optical microspectrometers,” IEEE Transactions an Instrumentation and Measurement 53(1), 197–202 (2004).
    • 2. V. S. Ilchenko and A. B. Matsko, ”Optical resonators with whispering-gallery modes – Part II: Applications,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 12(1), 15–32 (2006).
    • 3. A. B. Matsko and V. S. Ilchenko, ”Optical resonators with whispering-gallery modes – Part I: Basics,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 12(1), 3–14 (2006).
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lichtleitfaser
    2
    Resonatorzeile
    3
    Streifenlichtleiter
    4
    Substrat
    5
    Resonatorarray
    6
    Umlenkeinheit
    7
    Aufweitungsoptik
    8
    Lichtstrahl
    9
    Hohlleiter-Core
    10
    Hohlleiter-Cladding
    11
    Hohlleiter-Coating
    12
    Lichtstrahl vom Resonator
    13
    Detektor-Reihe oder Detektorarray
    14
    Lochmaske
    15
    Abbildungsoptik
    16
    Mikrolinsenreihe oder -array

Claims (2)

  1. Verfahren zur Frequenzmessung elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise im Frequenzbereich optischer Strahlung und den daran angrenzenden Bereichen, dadurch gekennzeichnet, dass • die Strahlung einer Anzahl von Resonatoren (2, 5) zugeführt wird, deren Resonanzeigenschaften sich unterscheiden, • Resonatoren, deren Resonanzen im Frequenzbereich dieser Strahlung liegen, zum Leuchten angeregt werden, • dadurch im Feld der Resonatoren (2, 5) ein spezielles Leuchtmuster entsteht, das jeweils charakteristisch ist für einen bestimmten Frequenzbereich, • durch Vergleich des gemessenen Musters mit aus Kalibriermessungen gewonnenen Mustern die Frequenz der unbekannten Strahlung ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Resonatorzeile (2) bzw. dem Resonatorarray (5) und der Detektorzeile bzw. dem Detektorarray (13) eine Lochplatte (14) befindet, die so montiert ist, dass jeder Resonator nur ein Detektorelement beleuchtet.
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