DE102010011615B4

DE102010011615B4 - Calibrating an optical sensor and method of manufacturing a pulse shaping device

Info

Publication number: DE102010011615B4
Application number: DE201010011615
Authority: DE
Inventors: Dr. Winter Stefan
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: DE102010011615A1

Abstract

Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Sensors, mit den Schritten: (i) Erzeugen eines Lichtverlaufs mit einer vorgegebenen, sich mit der Zeit ändernden Frequenz oder Wellenlänge, bei dem Licht (20) mit den Folgenden Schritten hergestellt wird, (a) Erzeugen von gepulstem Laserlicht mit einer Repetitionsrate und einer Pulsdauer, (b) Einkoppeln des Laserlichts in eine optische Pulsverbreiterungsvorrichtung (10), die eine Vielzahl an Lichtleitern (12) unterschiedlicher optischer Längen (Lopt) aufweist, so dass eine Vielzahl an zeitlich versetzten Teil-Lichtpulsen entsteht, und (c) Vereinigen zumindest eines Teils der Teil-Lichtpulse zu einem Ausgangs-Lichtstrahl (22), wobei (d) Laserlicht mit der vorgegebenen Frequenz verwendet wird. (ii) Ermitteln eines Messwerts, der eine Intensität des Lichts (20) zu zumindest einem Zeitpunkt beschreibt, (iii) Leiten des Ausgangs-Lichtstrahls (22) auf dem optischen Sensor und (iv) Vergleichen des Messwerts mit einem vom Sensor aufgenommenen Sensor-Messwert.A method for calibrating an optical sensor, comprising the steps of: (i) generating a light profile with a predetermined frequency or wavelength that changes over time, at which light (20) is produced using the following steps, (a) generating pulsed laser light with a repetition rate and a pulse duration, (b) coupling the laser light into an optical pulse broadening device (10) which has a multiplicity of light guides (12) of different optical lengths (Lopt), so that a multiplicity of temporally staggered partial light pulses are produced, and (c) combining at least part of the partial light pulses into an output light beam (22), (d) using laser light with the predetermined frequency. (ii) determining a measured value which describes an intensity of the light (20) at at least one point in time, (iii) directing the output light beam (22) on the optical sensor and (iv) comparing the measured value with a sensor recorded by the sensor. reading.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Sensors und ein Verfahren zum Herstellen einer Pulsformvorrichtung.The invention relates to a method for calibrating an optical sensor and to a method for producing a pulse shaping device.

Bei der spektralen Kalibrierung von optischen Empfängern wie Solarzellen, UV-Radiometern, Photometern, Filterempfängern und Spektroradiometern, werden zurzeit Monochromatoren eingesetzt, die mit Hilfe von optischen Gittern oder Prismen einen schmalen Wellenlängenbereich aus dem Spektrum einer Weißlichtquelle aussondern. Jedoch erhält man so nur geringe Strahlungsleistungen, die für manche Anwendungen nicht ausreichend sind.For the spectral calibration of optical receivers such as solar cells, UV radiometers, photometers, filter receivers and spectroradiometers, monochromators are currently being used which separate a narrow wavelength range from the spectrum of a white light source with the aid of optical gratings or prisms. However, this gives only low radiation powers, which are not sufficient for some applications.

Es ist daher wünschenswert, leistungsstarke, spektral durchstimmbare Laser einsetzen zu können.It is therefore desirable to be able to use high-performance, spectrally tunable lasers.

Es existieren zwar einerseits echte kontinuierlich arbeitende Laser (cw-Laser, englisch: continous wave laser, Laser mit gleich bleibender Strahlungsintensität), diese haben jedoch den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer hohen Kohärenzlänge Interferenz-Probleme verursachen.On the one hand, there are real, continuously operating lasers (cw lasers, English: continuous wave lasers, lasers with constant radiation intensity), but these have the disadvantage that they cause interference problems due to their high coherence length.

Es ist ein weiterer Nachteil, dass diese cw-Laser nicht über den gesamten benötigten Wellenlängenbereich automatisiert durchstimmbar sind.It is a further disadvantage that these cw-lasers are not automatically tunable over the entire required wavelength range.

Andererseits existieren gepulste Laser mit Repetitionsraten von zurzeit maximal 80 MHz, die über den gesamten benötigten Wellenlängenbereich automatisiert durchstimmbar sind. Derartige gepulste Laser senden mit einer Repetitionsrate kurze Pulse aus. Beispielsweise geben derartige gepulste Laser alle 12 ns weniger als 200 fs dauernde Pulse ab. Dieses Licht ist beispielsweise zur Kalibrierung von optischen Empfängern nicht geeignet, da in den Empfängern Übersättigungen mit Minoritätsladungsträgern entstehen. Das Problem ist besonders im blauen und im UV-Spektralbereich relevant, in dem die gesamte Strahlung in einem kleinen, oberflächennahen Bereich der Empfänger absorbiert wird.On the other hand, there are pulsed lasers with repetition rates of at present 80 MHz, which are automatically tunable over the entire required wavelength range. Such pulsed lasers emit short pulses at a repetition rate. For example, such pulsed lasers emit pulses less than 200 fs every 12 ns. This light is not suitable, for example, for the calibration of optical receivers, since supersaturations with minority carriers occur in the receivers. The problem is particularly relevant in the blue and UV spectral regions, where all radiation is absorbed in a small, near-surface region of the receiver.

Aus der WO 00/11765 A1 ist ein optischer Pulsstrecker bekannt, bei dem eine Mehrzahl an unterschiedlich langen Glasfasern dazu verwendet wird, aus einem Laserpuls einen schnell ansteigenden, schnell abfallenden, relativ langen und flachen Laserpuls zu erzeugen. Die Erfindung zielt darauf ab, 3D-Kameras zu verbessern.From the WO 00/11765 A1 For example, an optical pulse stretcher is known in which a plurality of different lengths of glass fibers is used to generate from a laser pulse a rapidly rising, rapidly falling, relatively long and flat laser pulse. The invention aims to improve 3D cameras.

Aus der US 2002/0136246 A1 ist eine Laservorrichtung bekannt, die eine Mehrzahl an Verzögerungsstrecken aus Lichtleitern aufweist, um einen Laserimpuls zu strecken. Eine vergleichbare Vorrichtung ist aus der GB 2 442 754 A und der US 4,296,319 A bekannt. Die bekannten Pulsverbreitungsvorrichtungen werden in der Herstellung von TFTs (Thin-film-transistors) in den Fällen der ersten beiden Druckschriften sowie zur Herstellung von optischen und elektrischen Impulsen eingesetzt. Das spezifische Problem der Fluoreszenz, wie es beim Kalibrieren von optischen Sensoren ein Hauptproblem darstellt, wird in den Druckschriften nicht angesprochen.From the US 2002/0136246 A1 For example, a laser device is known which has a plurality of optical fiber delay paths to extend a laser pulse. A comparable device is from the GB 2 442 754 A and the US 4,296,319 A known. The known pulse propagation devices are used in the manufacture of TFTs (thin-film transistors) in the cases of the first two publications and for the production of optical and electrical pulses. The specific problem of fluorescence, as it is a major problem in calibrating optical sensors, is not addressed in the references.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kalibrierung von optischen Empfängern und den Bau von dazu geeigneten Vorrichtungen zu verbessern.The invention has for its object to improve the calibration of optical receivers and the construction of suitable devices.

Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren, mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 5.The invention solves the problem by a method having the features of claim 1 and claim 5, respectively.

Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass so Licht einer gewünschten Wellenlänge von einem gepulsten Laser verwendet werden kann, das in seinen Eigenschaften im Wesentlichen dem von Licht aus einem cw-Laser entspricht und dennoch die Durchstimmbarkeit eines gepulsten Lasers besitzt. Vorteilhaft ist dabei zusätzlich, dass ein Intensitätsverlauf des Lichts über der Zeit im quadratischen Mittel deutlich weniger von einem Mittelwert abweicht als bei einem gepulsten Laser.An advantage of the invention is that light of a desired wavelength can thus be used by a pulsed laser whose properties essentially correspond to those of light from a cw laser and nevertheless have the tunability of a pulsed laser. It is additionally advantageous here that an intensity profile of the light deviates significantly less from an average over time in the quadratic mean than in the case of a pulsed laser.

Zum Strecken von Laserpulsen wurden im Stand der Technik Ulbrichtkugeln verwendet. Im Vergleich zu Verfahren, die eine Ulbrichtkugel verwenden, entsteht beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Fluoreszenz. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn blaues oder UV-Licht benötigt wird. Es kann statt von Pulsverbreiterung auch von einer Pulsvervielfachung, einer Pulsglättung oder einer Pulsformung gesprochen werden.Ulbrichtkugeln have been used in the prior art for stretching laser pulses. In comparison to methods which use an integrating sphere, no fluorescence is produced in the method according to the invention. This is particularly advantageous when blue or UV light is needed. Instead of pulse broadening, it is also possible to speak of a pulse multiplication, a pulse smoothing or a pulse shaping.

Vorteilhaft ist zudem, dass die verwendete optische Pulsverbreiterungsvorrichtung nur eine geringe Absorption aufweist. Auf diese Weise kann intensives Licht hergestellt werden. Das ist besonders dann vorteilhaft, wenn die optische Pulsverbreiterungsvorrichtung Teil einer Vorrichtung ist, die ohnehin einen Wellenleiter zum Leiten des Lichts aufweist. Durch die geringe Absorption kann das Ausgangssignal über der Zeit als quasi-konstant angesehen werden und erzeugt, im Gegensatz zur Verwendung einer Ulbrichtkugel, keine deutliche exponentielle Abnahme.It is also advantageous that the optical pulse broadening device used has only a low absorption. In this way, intense light can be produced. This is particularly advantageous when the optical pulse broadening device is part of a device which already has a waveguide for guiding the light. Due to the low absorption, the output signal over time can be regarded as quasi-constant and generates, in contrast to the use of an integrating sphere, no significant exponential decrease.

Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Spitzenleistung des austretenden Lichts deutlich kleiner ist als die des Lichts der Lichtquelle, ohne dass sich die durchschnittliche Leistung signifikant ändert. Das ist vorteilhaft beim Schutz der Augen und bei der Herabsetzung der Zerstörschwelle bei Material, Gewebe- oder Fluoreszenzuntersuchungen.It is a further advantage that the peak power of the emergent light is significantly smaller than that of the light of the light source, without significantly changing the average power. This is beneficial in protecting the eyes and reducing the damage threshold in material, tissue or fluorescence studies.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Lichtleiter insbesondere eine Glasfaser verstanden. Unter der Einkoppelvorrichtung wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, mittels der ein in die Einkoppelvorrichtung einfallender Laserstrahl auf die Lichtleiter verteilt wird. Besonders günstig ist es, wenn die Einkoppelvorrichtung so ausgestaltet ist, dass auf jeden Lichtleiter im Wesentlichen die gleiche Lichtintensität entfällt. Unter dem Merkmal, dass im Wesentlichen die gleiche Lichtintensität in die Lichtleiter eingekoppelt wird, wird insbesondere verstanden, dass es wünschenswert ist, dass in jedem der Lichtleiter genau die gleiche Lichtintensität eingekoppelt wird, dass das aber nicht notwendig ist. So ist es beispielsweise tolerierbar, dass die maximale relative Differenz der Lichtintensitäten zwischen zwei Lichtleitern bei unter 25% liegt.In the context of the present description is under a light guide in particular a Fiberglass understood. The coupling device is understood in particular to mean any device by means of which a laser beam incident into the coupling device is distributed to the light guides. It is particularly favorable if the coupling-in device is designed such that essentially the same light intensity is dispensed with on each light guide. By the feature that substantially the same light intensity is coupled into the light guides, it is understood in particular that it is desirable that exactly the same light intensity be coupled in each of the light guides, but that this is not necessary. For example, it is tolerable that the maximum relative difference in light intensities between two light guides is less than 25%.

Wenn die Intensitätsverteilung (korrekter, wenn auch weniger gebräuchlich: Bestrahlungsstärkeverteilung) am Eingang der Pulsverbreiterungsvorrichtung bekannt ist, dann kann diese durch die Längenverteilung der Einzelfasern berücksichtigt werden, indem die Abstandsdifferenz zwischen dieser und der nächsten Faser angepasst wird. Das heißt: Wenn die Bestrahlungsstärke geringer als im Mittel ist, muss die nächst längere Faser einen geringeren Längenzuwachs als im Mittel haben. Der Längenzuwachs muss im Idealfall proportional zum Leistungsbeitrag am Austritt der Faser sein. Diese Leistung ist wiederum proportional zum Produkt aus Bestrahlungsstärke und Transmission der Faser. Mit anderen Worten: das Verhältnis aus Wegdifferenz zwischen der i-ten und i + 1-ten Faser und der durch die Intensitäts- und Winkelverteilung am Eingang der i-ten Faser sowie der Dicke und Transmission der i-ten Faser gegebenen Leistung am Austritt dieser i-ten Faser ist vorzugsweise konstant.If the intensity distribution (more correctly, although less commonly used: irradiance distribution) at the input of the pulse widening device is known, then this can be taken into account by the length distribution of the individual fibers by adjusting the distance difference between this and the next fiber. This means that if the irradiance is lower than the average, the next longer fiber must have a smaller increase in length than on average. The increase in length must ideally be proportional to the power contribution at the exit of the fiber. This power is in turn proportional to the product of irradiance and transmission of the fiber. In other words, the ratio of the path difference between the ith and i + 1th fibers and the power given by the intensity and angle distribution at the input of the ith fiber and the thickness and transmission of the i th fiber at the exit of this i-th fiber is preferably constant.

Alternativ ist möglich, die Fasern am Eingang zufällig verteilen. So ist dafür gesorgt, dass z. B. die Randfasern, bei denen typischerweise die Bestrahlungsstärke bzw. Intensität am geringsten ist sowie die Winkelverteilung am ungünstigsten, nicht alle fast gleiche Längen haben, sondern dass dort einige kurze, einige mittlere und einige längere Einzelfasern angebracht werden.Alternatively, it is possible to randomly distribute the fibers at the entrance. So it is ensured that z. As the edge fibers, where typically the irradiance or intensity is the lowest and the angular distribution most unfavorable, not all almost equal lengths, but that there are some short, some middle and some longer individual fibers attached.

Unter der Auskoppelvorrichtung wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die dazu ausgebildet ist, aus den Lichtleitern austretende Teil-Laserstrahlen so auszurichten, dass sie in eine nachfolgend angeordnete Vorrichtung eingekoppelt werden können.The coupling-out device is understood in particular to be any device which is designed to align partial laser beams emerging from the light guides so that they can be coupled into a subsequently arranged device.

Die Auskoppelvorrichtung und die Einkoppelvorrichtung sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie die Lichtleiter an einer Stelle zusammenführen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Einkoppelvorrichtung und/oder die Auskoppelvorrichtung über eine Kuppelvorrichtung zum Verbinden mit anderen Lichtleitern zum Zuführen bzw. Abführen von Laserlicht ausgestattet ist oder Freistrahl oder Einkoppelung in einen Monochromator.The decoupling device and the coupling device are preferably designed so that they merge the optical fibers at one point. It can be provided, for example, that the coupling device and / or the decoupling device is equipped with a coupling device for connection to other optical fibers for supplying or discharging laser light or free jet or coupling into a monochromator.

Es ist günstig, wenn die Lichtleiter aus dem gleichen Material aufgebaut sind und unterschiedliche Lichtleiterlängen haben. So können die Lichtleiter einfach hergestellt werden.It is advantageous if the optical fibers are made of the same material and have different optical fiber lengths. So the light guides can be easily made.

Die optische Länge ist das Produkt aus der Brechzahl und der Länge eines Objekts. Die Verwendung von dem gleichen Material für alle Lichtleiter führt zu einer besonders leicht herstellbaren Pulsverbreiterungsvorrichtung.The optical length is the product of the refractive index and the length of an object. The use of the same material for all optical fibers leads to a particularly easy to manufacture pulse broadening device.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform haben die Lichtleiter-Längen eine Lichtleiter-Längenverteilung, wobei die Lichtleiter-Längenverteilung eine Quadratsumme in Form der Summe der Quadrate der Abweichungen von einer Gleichverteilung hat und wobei die durch die Zahl der Lichtleiter geteilte Wurzel der Quadratsumme höchstens 0,5, insbesondere 0,1 beträgt. Bei der Lichtleiter-Längenverteilung handelt es sich um die Zuordnung einer laufenden Nummer n der nach optischer Länge sortierten Lichtleiter zu der optischen Länge. Im Idealfall sind die optischen Längen linear verteilt, das heißt, dass die Differenz der optischen Längen zweier der optischen Länge sortierter Lichtleiter konstant ist.According to a preferred embodiment, the optical fiber lengths have an optical fiber length distribution, wherein the optical fiber length distribution has a square sum in the form of the sum of the squares of the deviations from a uniform distribution and wherein the square of the sum of squares divided by the number of optical fibers is at most 0.5, in particular 0.1. The optical fiber length distribution is the assignment of a serial number n of the optical length sorted optical fiber to the optical length. Ideally, the optical lengths are linearly distributed, that is, the difference in the optical lengths of two optical fibers of the sorted optical fiber is constant.

Eine derartige lineare Verteilung ist anzustreben, jedoch nicht notwendig. So ist es möglich, eine Ausgleichsgerade durch die optischen Längen, insbesondere die Lichtleiter-Längen, zu legen und die quadratischen Abweichungen von dieser linearen Interpolation aufzusummieren. Die durch die Zahl der Lichtleiter geteilte Wurzel der Quadratsumme ist ein Maß für die Abweichung von einer idealen linearen Verteilung und sollte daher möglichst gering sein. Besonders günstig ist es, wenn dieser Wert unter 0,1 bzw. 0,01 liegt.Such a linear distribution is desirable, but not necessary. It is thus possible to lay a compensation straight line through the optical lengths, in particular the lengths of optical fibers, and to sum up the quadratic deviations from this linear interpolation. The root of the sum of squares divided by the number of optical fibers is a measure of the deviation from an ideal linear distribution and should therefore be as small as possible. It is particularly favorable if this value is less than 0.1 or 0.01.

In anderen Worten ist dann, wenn die Lichtleiter nach Ihren optischen Längen sortiert werden, die Differenz zwischen zwei benachbarten Lichtleitern idealerweise eine Gleichverteilung, so dass alle Differenzen gleichgroß sind. Es sind aber geringe Abweichungen von einem Mittelwert aller Differenzen von beispielsweise 25% möglich.In other words, when the optical fibers are sorted according to their optical lengths, the difference between two adjacent optical fibers is ideally an equal distribution so that all the differences are equal. However, small deviations from an average of all differences of, for example, 25% are possible.

Vorzugsweise weist die Lichtquelle eine Auskoppelvorrichtung auf, die ausgebildet ist zum Einkoppeln von Licht, das die Pulsverbreiterungsvorrichtung verlässt, in einen Lichtleiter. Besonders günstig ist es, wenn die Lichtquelle zudem eine Lichtleitfaser, beispielsweise eine Monomode-Faser umfasst, mittels der von der Lichtquelle erzeugtes Licht weggeleitet werden kann. Möglich ist auch ein Freistrahl oder ein Auskoppeln in einen Monochromator, um das Licht schmalbandiger zu machen und so die Einzelpulse zu verbreitern.The light source preferably has a coupling-out device, which is designed to couple light leaving the pulse widening device into an optical waveguide. It is particularly favorable if the light source also comprises an optical fiber, for example a single-mode fiber, by means of the light generated by the light source. It is also possible a free jet or a decoupling in a monochromator to narrow the light and thus to widen the individual pulses.

Optional ist der Laser durchstimmbar, in einem Intervall von 2000 nm bis 230 nm. Besonders günstig ist es, wenn der Laser automatisch durchstimmbar ist, das heißt, dass die Wellenlänge von einer Steuerung vorprogrammiert zeitabhängig gesteuert oder geregelt werden kann. Eine derartige Lichtquelle gibt ein geglättetes Licht einer vorwählbaren Wellenlänge im optischen oder angrenzenden UV-Bereich ab, was beispielsweise für die Kalibrierung von optischen Sensoren besonders vorteilhaft ist. Optionally, the laser is tunable, in an interval of 2000 nm to 230 nm. It is particularly favorable if the laser is automatically tunable, that is, the wavelength of a control preprogrammed time-dependent controlled or can be controlled. Such a light source emits a smoothed light of a preselectable wavelength in the optical or adjacent UV range, which is particularly advantageous for the calibration of optical sensors, for example.

Vorzugsweise ist die Einkoppelvorrichtung so ausgebildet, dass in jeden Lichtleiter im Wesentlichen die gleiche Lichtintensität eingekoppelt wird. Hierunter ist zu verstehen, dass es anzustreben ist, dass in jedem Lichtleiter die gleiche Intensität eingekoppelt wird, das ist aber nicht notwendig. So sind Abweichungen tolerierbar. Beispielsweise kann die Lichtintensität, die in einen Lichtleiter eingekoppelt wird, sich um 25% von einem Mittelwert über alle Lichtleiter unterscheiden.Preferably, the coupling device is designed so that substantially the same light intensity is coupled into each light guide. By this is to be understood that it is desirable that in each light guide the same intensity is coupled, but this is not necessary. Thus deviations are tolerable. For example, the light intensity coupled into an optical fiber may differ by 25% from an average across all optical fibers.

Der maximale Laufzeitunterschied zwischen der kürzesten und der längsten Lichtleitfaser sollte mindestens das 0,5-fache der inversen Repetitionsrate betragen. Der mittlere Laufzeitunterschied zwischen der i-ten und der i + 1-ten Faser sollte T_Rep/N sein, um eine Gleichverteilung zu erhalten, wobei T_Rep die Repetitionszeit ist und N die Zahl der Lichtleiter. Vorzugsweise ist der Lichtleiter so ausgebildet, dass ein maximaler Laufzeitunterschied zwischen zwei Lichtleitern, in der Regel dem kürzesten und dem längsten Lichtleiter, zumindest das 0,8-fache einer inversen Repetitionsrate beträgt.The maximum transit time difference between the shortest and the longest optical fiber should be at least 0.5 times the inverse repetition rate. The mean transit time difference between the ith and the i + 1th fibers should be T_Rep / N to obtain an equal distribution, where T_Rep is the repetition time and N is the number of fibers. Preferably, the light guide is designed so that a maximum transit time difference between two light guides, usually the shortest and the longest light guide, is at least 0.8 times an inverse repetition rate.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigtIn the following, the invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment. It shows

1 eine erfindungsgemäße optische Pulsverbreiterungsvorrichtung in einer erfindungsgemäßen Lichtquelle; 1 an optical pulse broadening device according to the invention in a light source according to the invention;

2 ein Diagramm, das die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Zeit für einen Laser und eine erfindungsgemäße Lichtquelle zeigt; und 2 a diagram showing the light intensity as a function of time for a laser and a light source according to the invention; and

3 eine grafische Darstellung einer Lichtleiter-Längenverteilung der Lichtleiter in einer Pulsverbreiterungsvorrichtung gemäß 1. 3 a graphical representation of an optical fiber length distribution of the optical fibers in a pulse broadening device according to 1 ,

1 zeigt eine Pulsverbreiterungsvorrichtung 10, die eine Vielzahl an Lichtleitern 12, nämlich die Lichtleiter 12.1, 12.2, 12.3, ... umfasst. Die Pulsverbreiterungsvorrichtung 10 weist zudem eine Einkoppelvorrichtung 14 und eine Auskoppelvorrichtung 16 auf. 1 shows a pulse broadening device 10 containing a variety of fiber optics 12 namely, the light guides 12.1 . 12.2 . 12.3 , ... includes. The pulse broadening device 10 also has a coupling device 14 and a decoupling device 16 on.

Die Lichtleiter 12 unterscheiden sich in ihren Lichtleiter-Längen L. So ist die Lichtleiter-Länge L3 des dritten Lichtleiters 12.3 größer als die Lichtleiter-Länge L2 des Lichtleiters 12.2 und diese wiederum größer als die Lichtleiter-Länge L1 des Lichtleiters 12.1. Die Lichtleiter 12 sind alle aus dem gleichen Material, nämlich Glas, gefertigt, so dass die optischen Langen L_opt jeweils proportional zu der Lichtleiter-Länge L sind und sich ebenfalls für alle Lichtleiter 12 unterscheiden.The light guides 12 differ in their optical fiber lengths L. Thus, the optical fiber length L3 of the third optical fiber 12.3 greater than the optical fiber length L2 of the optical fiber 12.2 and these in turn larger than the optical fiber length L1 of the optical fiber 12.1 , The light guides 12 are all made of the same material, namely glass, so that the optical lengths L _{opt are} each proportional to the optical fiber length L and also for all optical fibers 12 differ.

1 zeigt zudem einen schematisch eingezeichneten gepulsten Laser 18, der ausgebildet ist zum Abgeben von Licht 20 mit einer Repetitionsrate f_rep und einer Pulsdauer T. Beispielsweise liegt die Repetitionsrate oberhalb von 50 MHz. Die Pulsdauer kann beispielsweise zwischen 100 und 500 fs liegen. 1 also shows a schematically drawn pulsed laser 18 which is adapted to emit light 20 with a repetition rate f _rep and a pulse duration T. For example, the repetition rate is above 50 MHz. The pulse duration can be, for example, between 100 and 500 fs.

Der Laser 18 ist durchstimmbar und ist in der Lage, Licht 20 im Wellenlängenbereich zumindest im interessierenden Empfindlichkeitsbereich des Sensors abzugeben. Das Licht 20 wird durch die Einkoppelvorrichtung 14 in die Lichtleiter 12 eingekoppelt, so dass in jedem der Lichtleiter eine Lichtintensität I anliegt.The laser 18 is tunable and is able to light 20 in the wavelength range at least in the range of interest sensitivity of the sensor. The light 20 is through the coupling device 14 in the light guides 12 coupled, so that in each of the light guides a light intensity I is applied.

Die Einkoppelvorrichtung 14 ist so gestaltet, dass sich die Lichtintensitäten in den einzelnen Lichtleitern 12 nur wenig unterscheiden. So ist beispielsweise die Intensität I1 im Lichtleiter 12.1 im Wesentlichen gleich der Intensität I2 im Lichtleiter 12.2. Die Intensität I in einem der Lichtleiter kann sich von einer mittleren Intensität I_mittel, die durch Mittlung über alle Lichtleiter 12 erhalten wird, beispielsweise um 25% unterscheiden. In jedem Lichtleiter 12 entsteht so ein Teil-Lichtpuls, Die Teil-Lichtpulse werden von der Auskoppelvorrichtung 16 zu einem geglätteten Ausgangs-Lichtpuls vereinigt.The coupling device 14 is designed so that the light intensities in the individual light guides 12 differ only slightly. For example, the intensity I1 in the light guide 12.1 essentially equal to the intensity I2 in the light guide 12.2 , The intensity I in one of the light guides can differ from a medium intensity I _mean , which is due to averaging over all light guides 12 is obtained, for example, differ by 25%. In every light guide 12 Thus, a partial light pulse, the partial light pulses are generated by the decoupling device 16 combined into a smoothed output light pulse.

2 zeigt ein Diagramm, in dem einerseits die Intensität I₁₄, die das Licht 20 beim Eintrift in die Einkoppelvorrichtung 14 hat, und andererseits eine Intensität I_16(t), die ein Ausgangs-Lichtstrahl 22 nach Verlassen der Auskoppelvorrichtung 16 hat, aufgetragen ist. Die Intensität I, die beispielsweise durch die Laserleistung angegeben werden kann, ist auf die Spitzenleistung als 1 normiert. 2 shows a diagram in which on the one hand the intensity I ₁₄ , which is the light 20 when drifting into the coupling device 14 has, and on the other hand, an intensity I _{16 (t)} , which is an output light beam 22 after leaving the decoupling device 16 has, is applied. The intensity I, which can be given for example by the laser power, is normalized to the peak power as 1.

Es ist zu erkennen, dass das vom Laser 18 stammende Ausgangssignal in Form des Lichts 20 eine Pulsdauer T und eine Repetitionsrate f_rep hat, die einer Repetitionszeit T_rep entspricht. In 2 ist die Zeit t auf die Repetitionszeit Trep normiert. Zwischen zwei Pulsen ist die Intensität I in guter Nährung 0. Die Lichtintensität des Ausgangs-Lichtstrahls 22 (vgl. 1) schwankt um einen Mittelwert M.It can be seen that from the laser 18 originating output signal in the form of light 20 has a pulse duration T and a repetition rate f _rep that corresponds to a repetition time T _rep . In 2 the time t is normalized to the repetition time Trep. Between two pulses, the intensity I is in good approximation 0. The light intensity of the output light beam 22 (see. 1 ) fluctuates around a mean M.

3 zeigt eine Verteilung der Lichtleiter-Längen L und deren Abweichung von einer linearen Verteilung beruht. Die X-Achse ist eine laufende Nummer n der Lichtleiter, die der Lichtleiter-Länge nach geordnet sind. Je größer n, desto größer ist die optische Länge L_opc bzw. im vorliegenden Fall die Lichtleiter-Länge L. 3 shows a distribution of the optical fiber lengths L and whose deviation is based on a linear distribution. The X-axis is a serial number n of the light guides arranged according to the length of the light guide. The larger n, the larger the optical length L _opc or, in the present case, the optical fiber length L.

Auf der Ordinate ist die Lichtleiter-Länge L für den jeweiligen Lichtleiter aufgetragen.On the ordinate, the light guide length L is plotted for the respective light guide.

Es ist zu erkennen, dass die Lichtleiter-Längen L der Lichtleiter eine näherungsweise lineare Verteilung haben, die durch eine Gerade g beschrieben werden kann. Für jede laufende Nummer n kann eine Abweichung d von der linearen Verteilung berechnet werden, wie dies für die laufende Nummer n = 8 gezeigt ist. Die Summe

der Summe der Quadrate mit der Abweichung von der linearen Verteilung stellt daher ein Maß dafür da, wie genau die tatsächliche Verteilung der Lichtleiter-Längen L dem Ideal der linearen Verteilung entspricht.It can be seen that the optical fiber lengths L of the optical fibers have an approximately linear distribution, which can be described by a straight line g. For each serial number n, a deviation d from the linear distribution can be calculated, as shown for the serial number n = 8. The sum

The sum of the squares with the deviation from the linear distribution therefore provides a measure of how exactly the actual distribution of the optical fiber lengths L corresponds to the ideal of the linear distribution.

Die durch die Zahl der Lichtleiter N geteilte Wurzel der Quadratsumme sei σ genannt, es gilt also

The root of the sum of squares divided by the number of light guides N is called σ, so it holds

Je kleiner σ ist, desto besser entspricht die tatsächliche Verteilung der Lichtleiter-Längen L der idealen linearen Verteilung.The smaller σ is, the better the actual distribution of the optical fiber lengths L corresponds to the ideal linear distribution.

Jeder der Lichtleiter 12 bedingt gegenüber einem anderen Lichtleiter eine Laufzeitverzögerung. Das heißt, dass Licht eine längere Zeit von der Einkoppelvorrichtung 14 zur Auskoppelvorrichtung 16 (vgl. 1) benötigt, je länger der jeweilige Lichtleiter 12 ist. Der Unterschied in den Laufzeiten der Teil-Lichtimpulse in zwei Lichtleitern ist die Laufzeitdifferenz Δτ. τ_n bezeichnet die Zeit, die ein Lichtimpuls braucht, um durch den n-ten Lichtleiter 12.n zu laufen. Zwischen dem kürzesten Lichtleiter und dem längsten Lichtleiter existiert ein maximaler Laufzeitunterschied Δτ_max. Es gilt also für alle N Lichtleiter 12.1, ...,

Each of the light guides 12 conditionally compared to another light guide a propagation delay. That is, light is a longer time from the coupling device 14 to the coupling-out device 16 (see. 1 ), the longer the respective light guide 12 is. The difference in the transit times of the partial light pulses in two light guides is the transit time difference Δτ. τ _n denotes the time it takes for a light pulse to pass through the n-th light guide 12.n to run. There is a maximum transit time difference Δτ _max between the shortest optical fiber and the longest optical fiber. It therefore applies to all N light guides 12.1 , ...,

Ein besonders günstiger Fall ergibt sich, wenn der maximale Laufzeitunterschied Δτ_max ungefähr der inversen Repetitionsrate, also T_rep entspricht. In diesem Fall wird das gepulste Laserlicht besonders effizient geglättet. Beispielsweise beträgt der maximale Laufzeitunterschied zwischen zwei Lichtleitern zumindest das 0,8-fache einer inversen Repetitionsrate T_rep.A particularly favorable case arises when the maximum transit time difference Δτ _max corresponds approximately to the inverse repetition rate, ie T _rep . In this case, the pulsed laser light is smoothed particularly efficiently. For example, the maximum transit time difference between two optical fibers is at least 0.8 times an inverse repetition rate T _rep .

Erfindungsgemäß ist zudem eine Pulsformvorrichtung zum Formen eines Lichtpulses, so dass er einen vorgegebenen Signalverlauf f(t) in einem Intervall zwischen zwei Lichtpulsen hat, wobei die Lichtpulse einen zeitlichen Abstand einer Repetitionszeit T_rep haben, mit einer Anzahl N an einzelnen Lichtleitfasern, die eine Längenverteilung l(i) haben, die jedem Laufindex i für die Lichtleitfasern die Länge l zuordnet, wobei die Längenverteilung nach dem folgenden Verfahren bestimmbar ist:

(a) Bestimmen einer Stammfunktion F(t) in den Intervallgrenzen mit der Randbedingung, dass F(0) = 0 ist,
(b) Normieren der Stammfunktion F(t), so dass F(T_Rep) = N ist, wobei N die Anzahl der Einzelfasern in dem Bündel ist,
(c) aus der Umkehrfunktion t_i = F^ – 1(i) mit i = 1, ..., N ermitteln der Verzögerungszeiten, die mit den einzelnen Fasern erzielt werden müssen,
(d) Zuordnen einer Faserlänge l_i zu jeder Verzögerungszeit t_i nach der Formel l_i = c·t_i/n, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und n die optische Brechtahl des Lichtleiters ist.

According to the invention, a pulse shaping device is also provided for shaping a light pulse so that it has a predetermined signal curve f (t) at an interval between two light pulses, wherein the light pulses have a time interval of a repetition time T_rep, with a number N of individual optical fibers having a length distribution l (i) assigning the length l to each optical fiber index i, the length distribution being determinable by the following method:

(a) determining a parent function F (t) in the interval boundaries with the constraint that F (0) = 0,
(b) normalizing the parent function F (t) such that F (T_Rep) = N, where N is the number of individual fibers in the bundle,
(c) from the inverse function t_i = F ^ - 1 (i) with i = 1, ..., N determine the delay times that have to be achieved with the individual fibers,
(d) assigning a fiber length l_i at each delay time t_i according to the formula l_i = c · t_i / n, where c is the speed of light and n is the optical refractive index of the optical fiber.

Durch eine zusätzliche Verlängerung des gesamten Lichtleitfaserbündels lässt sich eine weitere Glättung des Ausgangs-Lichts erreichen.By an additional extension of the entire optical fiber bundle, a further smoothing of the output light can be achieved.

Claims

A method of calibrating an optical sensor comprising the steps of: (i) generating a light history having a predetermined time-varying frequency or wavelength at which light ( 20 ) is produced with the following steps, (a) generating pulsed laser light having a repetition rate and a pulse duration, (b) coupling the laser light into an optical pulse broadening device ( 10 ), which have a variety of light guides ( 12 ) of different optical lengths (L _opt ), so that a multiplicity of time-shifted partial light pulses is formed, and (c) uniting at least part of the partial light pulses into an output light beam ( 22 ), wherein (d) laser light of the predetermined frequency is used. (ii) determining a measured value that is an intensity of the light ( 20 ) describes at least one time, (iii) directing the output light beam ( 22 ) on the optical sensor and (iv) comparing the measured value with a sensor measured value taken by the sensor.

A method according to claim 1, characterized in that at least one light guide is arranged so that at least a part of the light emerging from it is coupled again into the light guide and / or another light guide.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a maximum transit time difference (Δτ _max ) between two optical waveguides ( 12 ) is at least 0.8 times an inverse repetition rate (T _rep ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the light ( 20 ) leaving the pulse widening device is coupled into a single-mode fiber.

A method of manufacturing a pulse shaping device for shaping a light pulse so that it has a predetermined waveform (f (t)) in an interval between two light pulses, the light pulses having a time interval of a repetition time (T_rep), with a number (N) individual optical fibers having a length distribution (l (i)) assigning each optical fiber index (i) to the length (l), the length distribution being determined by the following method: Determining a parent function (F (t)) in the interval boundaries with the constraint that F (0) = 0, Normalizing the parent function (F (t)) such that F (T_rep) = N, From the inverse function (t_i = F ^ - 1 (i) with i = 1, ..., N) determining the delay times which must be achieved with the individual fibers, and - Assign a fiber length (l_i) at each delay time (t_i) according to the formula l_i = c · t_i / n, where c is the speed of light and n is the optical refractive index of the optical fiber.