DE102015010998A1

DE102015010998A1 - Optischer Sensor zur Messung mindestens eines charakteristischen Merkmals eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums

Info

Publication number: DE102015010998A1
Application number: DE102015010998.7A
Authority: DE
Inventors: Kai-Peter Stamer
Original assignee: Bartec Benke GmbH
Current assignee: Bartec Benke GmbH
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-02-23
Also published as: EP3338119A1; WO2017032449A1

Abstract

Der optische Sensor dient zur Messung wenigstens eines charakteristischen Merkmals eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums. Mit mindestens einer Lichtquelle wird Licht in wenigstens einen optischen Leiter eingeleitet, der mit wenigstens einer Messfläche versehen ist. Der optische Sensor ist weiter mit wenigstens einem Lichtempfänger versehen. Der optische Leiter ist ein Ringresonator, in den Licht aus einem Wellenleiter ausgekoppelt wird und in dem ein dem ausgekoppelten Lichtanteil entsprechendes Modenprofil umläuft, dessen Bahnradius und/oder effektive Brechzahl sich durch Ablagerungen auf der Messfläche ändert. Das Transmissionsspektrum des Modenprofiles wird durch den Lichtempfänger ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Messung wenigstens eines charakteristischen Merkmals eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein charakteristisches Merkmal eines gasförmigen Mediums ist beispielsweise die Taupunkttemperatur DT. 1 zeigt einen bekannten optischen Sensor in Form eines Taupunkt-Spiegelhygrometers, mit dem die Taupunkttemperatur von beispielsweise Luft gemessen wird. Dieser optische Sensor hat einen Spiegel 3, der mit einem thermoelektrischen Kühler 2 so weit abgekühlt wird, dass die Luft auf der Spiegeloberseite kondensiert. Das entstehende Kondensat wird mit einer Lichtschranke 4, 5 detektiert. Sie besteht aus einer Lichtquelle 4, die im Ausführungsbeispiel eine LED ist, und einem Lichtempfänger 5, der im Ausführungsbeispiel eine Fotodiode ist. Die Temperatur der Spiegeloberfläche entspricht dann der Taupunkttemperatur DT. Sie wird mit einem auf die Spiegeloberfläche aufgedampften Widerstand 6, z. B. ein Platinwiderstand mit 1000 Ohm, gemessen. Der Kühler 2 sitzt auf einer Grundplatte 1, die eine Wärmesenke bildet.
Solange kein Kondensat auf der Spiegeloberfläche gebildet ist, wird der von der Lichtquelle 4 ausgesandte Lichtstrahl 7 an der Spiegeloberfläche so reflektiert, dass er zum Lichtempfänger 5 gelangt. Ist das Kondensat Wasser, dann bilden sich auf der glatten Spiegeloberfläche kleine Tropfen, welche das einfallende Licht zerstreuen. Dies hat zur Folge, dass nur noch ein Teil des eingestrahlten Lichtes auf den Lichtempfänger 5 trifft. Dadurch lässt sich die Kondensatbildung auf der Spiegeloberfläche einwandfrei erfassen.
Bei Kohlenwasserstoffen (HC) als Medium bildet sich das Kondensat auf der glatten Spiegeloberfläche aufgrund der Adhäsionskräfte als dünner Film aus. Dadurch wird der Lichtstrahl 7 an diesem dünnen Film weiterhin reflektiert und gelangt zum Lichtempfänger 5. Dadurch würde überhaupt kein oder allenfalls nur ein sehr schlechtes Messsignal erzeugt.
Aus diesem Grunde sind auch optische Sensoren bekannt (2), bei denen nicht eine Spiegeloberfläche, sondern eine raue Oberfläche zur Detektion herangezogen wird. Diese raue Oberfläche führt dazu, dass das einfallende Licht 7 zerstreut wird, wenn kein Kondensat auf der rauen Oberfläche vorhanden ist. Bildet sich hingegen das Kondensat auf der rauen Oberfläche, dann bildet es eine Reflektionsfläche, an der der einfallende Lichtstrahl 7 reflektiert wird. Die Lichtquelle 4 sitzt auf der Grundplatte 1 und strahlt ihr Licht 7 in den Spiegel 3 ein. Er weist an seiner Ober- und Unterseite teilverspiegelte Bereiche 3a auf, an denen der Lichtstrahl 7 beim Durchgang durch den Spiegel 3 jeweils reflektiert wird. Mit der Lichtquelle 4 wird das Licht in einem Bereich außerhalb der teilverspiegelten Bereiche 3a in den Spiegel 3 eingebracht. Die teilverspiegelten Bereiche 3a sind so vorgesehen, dass der Lichtstrahl 7 in den rauen Bereich 3b an der Oberseite des Spiegels 3 gelangt. Gelangt der Lichtstrahl 7 in diesen Bereich 3b, gelangt ein Teil 9 aus dem Spiegel 3 nach außen. Dies ist dann der Fall, wenn der raue Bereich 3b trocken und nicht von einem Kondensat benetzt ist. Aufgrund des austretenden Lichtes 9 nimmt die Lichtintensität ab, so dass der auf den Lichtempfänger 5 treffende Lichtstrahl 8 eine entsprechend geringere Lichtintensität aufweist. Wird mit dem Kühler 2 die Temperatur der Spiegel 3 so weit abgekühlt, dass sich auf dem rauen Bereich 3b ein Kondensat bildet, dann bildet das Kondensat einen dünnen Film in diesem rauen Bereich 3b und wirkt als Reflexionsfläche. Dadurch tritt kein Licht 9 oder nur noch ein sehr geringer Anteil an Licht in diesem Bereich nach außen, so dass der auf den Lichtempfänger 5 auftreffende Lichtstrahl 8 eine entsprechend hohe Lichtintensität aufweist, so dass ein Kondensat zuverlässig messtechnisch erfasst werden kann. Sobald das Kondensat durch den Lichtempfänger 5 detektiert wird, wird die Temperatur mit dem Widerstand 6 gemessen, die dann der Taupunkttemperatur des Kohlenwasserstoffes entspricht.
Um eine zuverlässige Messung des Kondensates zu ermöglichen, muss der raue Bereich 3b, der die Messfläche bildet, verhältnismäßig groß sein. Diese Messfläche beträgt üblicherweise einige mm². Aufgrund der relativ großen Messfläche ist ein ziemlich breiter Temperaturbereich für eine vollständige Benetzung des rauen Oberflächenbereiches 3b für eine genaue Messung der Taupunkttemperatur nachteilig. Auch ist die Homogenität des aufgerauten Oberflächenbereiches 3b kritisch und führt unter Umständen zu Fehlmessungen. Da sich auf dem rauen Oberflächenbereich 3b nur ein dünner Kondensatfilm bildet, ist es schwierig oder nahezu nicht möglich festzustellen, um welchen Kohlenwasserstoff es sich handelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen optischen Sensor so auszubilden, dass mit ihm bei konstruktiv einfacher und kostengünstiger Ausbildung eine exakte und zuverlässige Messung möglich ist.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen optischen Sensor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor ist es zuverlässig möglich, wenigstens ein charakteristisches Merkmal des Mediums zu erfassen und zu bestimmen. Dieses charakteristische Merkmal kann die Taupunkttemperatur von Wasser, Kohlenwasserstoffen und anderen Stoffen sein. Außer der Taupunkttemperatur oder anstelle der Taupunkttemperatur ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Sensor auch eine Reaktionstemperatur oder bei beliebigen Temperaturen die Brechungszahl und den Absorbtionsgrad an verschiedenen Stellen in einem Absorptions- oder Transmissionspektrum zu erfassen und das Ergebnis zur Stofferkennung oder stofflichen Vermessung einzusetzen.
Der erfindungsgemäße Sensor hat hierfür als optischen Leiter wenigstens einen Ringresonator, in den Licht aus einem Wellenleiter ausgekoppelt wird. Der Wellenleiter erhält das Licht von der Lichtquelle. Im Ringresonator läuft ein dem ausgekoppelten Lichtanteil entsprechendes Modenprofil, dessen Transmissionsspektrum mittels des Lichtempfängers ermittelt wird.
Wird in einem gasförmigen Medium die Taupunkttemperatur ermittelt, dann wird der Ringresonator so weit abgekühlt, dass sich auf ihm ein Kondensat bildet. Es hat einen Brechungsindex, der größer ist als der Brechungsindex des gasförmigen Mediums, in dem sich der Ringresonator befindet. Dadurch wird der Grenzwinkel der Totalreflexion des im Ringresonator umlaufenden Lichtes verändert. Dies hat zur Folge, dass die im Ringresonator umlaufenden Moden auf ihrer Bahn gehalten werden. Wird der Grenzwinkel der Totalreflektion überschritten, kommt es zu stärkeren Verlusten. Dadurch verliert der Ringresonator an Lichtintensität. Die Verluste können hierbei so stark sein, dass der Ringresonator ganz ausgeht, so dass die Linien im Transmissionsspektrum des angrenzenden Wellenleiters verschwinden. Auf diese Weise kann zuverlässig beispielsweise die Taupunkttemperatur oder etwa eine Reaktionstemperatur gemessen und bestimmt werden.
Durch die Änderung des Bahnradius der im Ringresonator umlaufenden Moden ändern sich die absoluten Wellenlängen sowie die freien Spektralbereiche der Linien im Transmissionsspektrum. Diese Änderung wird erfasst und ausgewertet. Aus dem Wert des Wellenlängensprunges, d. h. dem Sprung auf einen anderen Moden-Bahnradius, kann auf den Brechungsindex des Kondensates rückgeschlossen werden. Außerdem kann, wenn bekannt, der Wellenlängensprung aufgrund der Änderung des Bahndurchmessers vom Modenprofil dem kondensierten Medium zugeordnet werden. Es ist dadurch sehr einfach möglich, die Art des Mediums festzustellen.
Die Temperatur des Ringresonators beim Wellenlängensprung ist mit der Taupunkttemperatur identisch.
Bei einer einfachen Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die Messfläche eine innere und/äußere Mantelfläche des Ringresonators ist. Auf der Messfläche bildet sich die Ablagerung, beispielsweise das Kondensat.
Die Messfläche des Ringresonators ist im Vergleich zu den Messflächen herkömmlicher optischer Sensoren sehr klein und liegt bei einer Größe von etwa 10 μm² bis etwa 100 μm², vorzugsweise bei etwa 15 μm². Aufgrund dieser kleinen Messfläche kann die Bedeckung mit der Ablagerung, insbesondere dem Kondensat, sehr schnell erreicht werden. Dies ermöglicht sehr steile Messsignale bei Temperaturänderungen, so dass eine sehr präzise Messung der Taupunkttemperatur sowie eine Regelung auf diesen Taupunktwert möglich ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die innere und/oder äußere Mantelfläche und/oder die obere Stirnfläche des Ringresonators mit einer Haft/Anlagerungsschicht bedeckt, deren Innen- und/oder Außenseite und/oder Oberseite dann die Messfläche bildet. Die Haft/Anlagerungsschicht ermöglicht es, am Ringresonator gezielt solche Materialien anzubringen, an denen sich die Ablagerungen zuverlässig ablagern können.
Es ist möglich, bei einer vorteilhaften Ausführungsform die innere oder die äußere Mantelfläche des Ringresonators mit einer Schutzschicht zu bedecken, die eine Referenzfläche mit konstanter Brechungszahl bildet. Wenn die Schutzschicht an der inneren Mantelfläche des Ringresonators vorgesehen ist, dann wirkt die äußere Mantelfläche als Messfläche, auf der sich die Ablagerungen, vorzugsweise das Kondensat, bilden. Die innere Mantelfläche des Ringresonators grenzt in diesem Fall an die Schutzschicht mit der konstanten Brechungszahl an. Dies hat zur Folge, dass sich der Schwerpunkt des Brechungsindexprofiles der Moden innerhalb des Ringresonators nach außen verlagert, wodurch eine Zunahme des Bahnradius eintritt.
Wird umgekehrt die äußere Mantelfläche des Ringresonators mit der Schutzschicht überzogen, wirkt die innere Mantelfläche des Ringresonators als Messfläche. Wenn sich auf ihr Ablagerungen bilden, dann wird der Schwerpunkt des Brechungsindexprofiles nach innen verlagert, was zu einer Verkleinerung des Bahnradius der umlaufenden Moden führt.
Der Ringresonator ist vorteilhaft auf einem Träger angeordnet, in den der Wellenleiter eingebettet ist. Dadurch ist der Wellenleiter zuverlässig vor Verschmutzung und/oder Beschädigung geschützt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung sitzt der Träger auf mindestens einem Temperatur-Einstellelement, das vorzugsweise ein Peltierelement ist. Mit ihm lässt sich sehr einfach und genau die Temperatur des Trägers und damit des Ringresonators einstellen. Mit dem Temperatur-Einstellelement kann die Temperatur verringert, aber bei Bedarf auch erhöht werden.
Eine zuverlässige Messung ergibt sich in vorteilhafter Weise dann, wenn der Lichtempfänger ein Spektrometer ist.
Der Wellenleiter wird so in Bezug auf den Ringresonator angeordnet, dass das Licht aus dem Wellenleiter in ausreichendem Maße in den Ringresonator ausgekoppelt wird. Der Abstand zwischen dem Wellenleiter und dem Ringresonator bestimmt den Koppelfaktor.
Vorteilhaft ist es, wenn längs des Wellenleiters mehrere Ringresonatoren hintereinander angeordnet sind. Dann können unterschiedliche optische Weglängen bzw. freie Spektralbereiche ausgenutzt werden.
Vorteilhaft besteht der Wellenleiter aus ionenimplantierten Gläsern oder Kristallen oder optischen PVD-, LPE- oder CVD-Schichten. Solche PVD-, LPE- oder CVD-Schichten können beispielsweise aus Si, SiO₂, ZrO₂, TiO₂ oder Ta₂O₅ bestehen. Der Ringresonator weist vorteilhaft wenigstens eine optische PVD-, LPE- oder CVD-Schicht auf, die z. B. Si, SiO₂, ZrO₂, TiO₂ oder Ta₂O₅ sein kann.
Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen
1 im Schnitt und in vereinfachter Darstellung einen Taupunktsensor nach dem Stand der Technik,
2 in einer Darstellung entsprechend 1 einen weiteren bekannten Taupunktsensor,
3 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen optischen Sensor,
4 einen Schnitt längs der Linie A-A in 3,
5 einen Schnitt längs der Linie B-B in 4,
6 in einer Darstellung entsprechend 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors,
7 einen Schnitt längs der Linie A-A in 6,
8 einen Schnitt längs der Linie B-B in 7,
9 Bis 11 in Darstellungen entsprechend den 6 bis 8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors,
12 bis 14 in einer Darstellung entsprechend den 6 bis 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.
15 bis 20 jeweils in Darstellungen entsprechend 4 weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen optischen Sensoren.
21 in schematischer Darstellung das Messprinzip unter Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors,
22 in schematischer Darstellung die Anordnung des erfindungsgemäßen optischen Sensors in einem Gas, das bei einer Temperatur T1 nicht kondensiert,
23 den optischen Sensor gemäß 22, bei dem sich auf dem Sensor durch Abkühlung auf die Temperatur T2 ein Kondensat gebildet hat,
24 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen optischen Sensor,
25 ein beispielhaftes Messspektrum, bei dem die normierte Absorption gegen die Wellenlänge eines Wellenleiters dargestellt ist, aus dem Licht in vier Ringresonatoren mit unterschiedlichen freien Spektralbereichen ausgekoppelt worden ist.
26 ein beispielhaftes Messspektrum, bei dem die normierte Transmission gegen die Wellenlänge eines Zubringerwellenleiters dargestellt ist, aus dem Licht in vier Ringresonatoren mit unterschiedlichen freien Spektralbereichen ausgekoppelt worden ist und welches gegenüberliegend in einem Rückführungswellenleiter wieder eingekoppelt worden ist.
Der Temperatursensor gemäß den 3 bis 5 ist ein optischer Sensor, mit dem die Taupunkttemperatur von Wasser, Kohlenwasserstoffen und anderen Stoffen gemessen wird. Zusammen mit der Messung der Taupunkttemperatur oder unabhängig davon kann der Sensor gleichzeitig bei der Taupunkttemperatur, einer Reaktionstemperatur oder bei beliebigen Temperaturen die Brechungszahl und den Absorptionsgrad an verschiedenen Stellen im Messspektrum erfassen und das Ergebnis zur Stofferkennung oder zur stofflichen Vermessung verwenden.
Die 3 bis 5 zeigen in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines Sensors. Er hat einen Träger 10, der beispielhaft eckigen, wie viereckigen Querschnitt aufweist (5). Der Träger 10 kann aber auch jede andere geeignete Umrissform haben. Der Träger 10 besteht aus einem geeigneten Substrat, wie beispielsweise aus Glas oder aus Kristall. In den Träger 10 ist ein Wellenleiter 11 eingebettet, der einen solchen Abstand vom Ringresonator 12 hat und so angeordnet ist, dass Licht aus dem Wellenleiter 11 in den Ringresonator 12 ausgekoppelt werden kann. Der Wellenleiter 11 hat im Ausführungsbeispiel kreisförmigen Querschnitt.
Auf der Oberseite des Trägers 10 befindet sich ein Mikro-Ringresonator 12, der als optisches Messmedium dient und ein in sich geschlossener Wellenleiter ist, der im Ausführungsbeispiel Kreisform aufweist. Der Ringresonator 12 kann selbstverständlich jede andere geeignete Umrissform aufweisen. Der Ringresonator 12 besteht vorteilhaft aus einem nicht porösen Material mit einer hohen Brechzahl. Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise ionenimplantierte Gläser und Kristalle oder optische PVD-, LPE- oder CVD-Schichten, die beispielsweise aus Si, SiO₂, ZrO₂, TiO₂, Ta₂O₅ und dgl. bestehen können.
Der Ringresonator 12 ist auf seiner Oberseite und seiner inneren Mantelfläche 43 durch eine innere Schutzschicht 13 vollständig abgedeckt. Dadurch liegt nur die äußere Mantelfläche 42 des Ringresonators 12 frei und kommt in Kontakt mit dem zu messendem Medium. Der Ringresonator 12 hat viereckigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt.
In den Träger 10 können auch zwei Wellenleiter 11, 11a eingebettet sein, wie in den 3 bis 5 dargestellt ist. Beide Wellenleiter 11, 11a bestehen vorteilhaft aus dem gleichen Material. In den Wellenleiter 11 wird das Licht eingekoppelt, das in der beschriebenen Weise teilweise in den Ringresonator 12 eingekoppelt wird. Die im Ringresonator 12 sich bildenden Modenspektren bzw. diskreten Wellenlängenmaxima werden in den Wellenleiter 11a ausgekoppelt, der das ausgekoppelte Licht weiterleitet. Dieses ausgekoppelte Licht kann separat einem Spektrometer zugeführt werden, wie unten noch beispielhaft im Einzelnen beschrieben werden wird.
Die beiden Wellenleiter 11, 11a sind vorteilhaft mit dem gleichen Messabstand unterhalb des Ringresonators 12 angeordnet. Wie 5 zeigt, verlaufen die beiden Wellenleiter 11, 11a so im Träger 10, dass sie, in Draufsicht auf den Ringresonator 12 gesehen, teilweise durch den Ringresonator 12 verlaufen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß den 6 bis 8 sind die beiden Wellenleiter 11b, 11c auf dem Träger 10 mit geringem Abstand neben dem Ringresonator 12 angeordnet. Der Abstand zwischen den beiden Wellenleitern 11b, 11c und dem Ringresonator 12 ist der Messabstand, der die Größe des Koppelfaktors bestimmt.
Wie schon im Zusammenhang mit der vorigen Ausführungsform beschrieben, kann auf dem Träger 10 auch nur ein Wellenleiter 11b vorgesehen sein, der mit dem Messabstand neben dem Ringresonator 12 auf dem Träger 10 vorgesehen ist.
Der optische Sensor ist im Übrigen gleich ausgebildet wie das vorige Ausführungsbeispiel. Der Ringresonator 12 ist auf seiner Oberseite 17 und seiner inneren Mantelfläche 43 durch die innere Schutzschicht 13 vollständig abgedeckt. Dadurch liegt nur die äußere Mantelfläche 42 des Ringresonators 12 frei.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß den 9 bis 11 kann wiederum nur ein Wellenleiter 11 vorgesehen sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Wellenleiter 11, 11a vorgesehen, die entsprechend der Ausführungsform gemäß den 3 bis 5 in den Träger eingebettet sind. Die Wellenleiter 11, 11a sind auch entsprechend der Ausführungsform gemäß den 3 bis 5 relativ zum Ringresonator 12 angeordnet, der auf dem Träger 10 befestigt ist. Die innere Mantelfläche 23 des Ringresonators 12 ist durch die innere Schutzschicht 13 vollständig bedeckt. Im Unterschied zur vorigen Ausführungsform erstreckt sich beim Ausführungsbeispiel gemäß den 9 bis 11 die innere Schutzschicht 13 nicht über den Ringresonator 12. Dadurch liegt dessen Oberseite 17 frei. Zusätzlich ist auch die äußere Mantelfläche 42 des Ringresonators 12 durch eine äußere Schutzschicht 14 bedeckt. Sie hat gleiche Dicke wie der Ringresonator 12 sowie die innere Schutzschicht 13.
Bei dieser Ausführungsform kommt somit nur die Oberseite 17 des Ringresonators 12 mit dem zu messenden Medium in Kontakt.
Die innere Schutzschicht 13 füllt den Innenraum des Ringresonators 12 vollständig aus. Die äußere Schutzschicht 14 füllt den Außenraum des Trägers 10 vollständig, wie aus 11 hervorgeht.
Die beiden Schutzschichten 13, 14 haben eine Brechungszahl n, die kleiner ist als die Brechungszahl n des Ringresonators 12. Vorteilhaft ist die Schutzschicht 13, 14 eine PVD-Schicht. Sie kann beispielsweise aus SiO2 bestehen, das eine Brechungszahl n von 1,45 hat. Der Ringresonator 12 kann beispielsweise aus Si mit einer Brechungszahl n von 3,67 bestehen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den 12 bis 14 ist ähnlich ausgebildet wie die Ausführungsform gemäß den 6 bis 8. Die beiden Wellenleiter 11b, 11c sind wie der Ringresonator 12 auf dem Träger 10 angeordnet. Die innere Mantelfläche 43 des Ringresonators 12 ist durch die innere Schutzschicht 13 vollständig bedeckt, die den Innenraum des Ringresonators 12 ausfüllt (14). Die äußere Mantelfläche 42 des Ringresonators 12 ist durch die äußere Schutzschicht 14 vollständig bedeckt. In die äußere Schutzschicht 14 sind die beiden Wellenleiter 11b, 11c vollständig eingebettet. Wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen verlaufen die Wellenleiter 11b, 11c parallel zueinander und im Messabstand zum Ringresonator 12. Entsprechend der vorigen Ausführungsform haben der Ringresonator 12 sowie die beiden Schutzschichten 13, 14 gleiche Höhe. Auch die Wellenleiter 11b, 11c haben gleiche Höhe wie der Ringresonator 12 sowie die Schutzschichten 13, 14.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird über den Wellenleiter 11b das Licht in den Ringresonator 12 eingekoppelt, wobei der Koppelfaktor durch den Messabstand zwischen dem Wellenleiter 11b und dem Ringresonator 12 bestimmt wird. Die im Ringresonator 12 gebildeten Modenspektren werden in den Wellenleiter 11c ausgekoppelt und beispielsweise einem Spektrometer zugeführt. Die beiden Wellenleiter 11b, 11c haben bevorzugt den gleichen Messabstand zum Ringresonator 12.
Bei der Ausführungsform gemäß 15 ist die äußere Schutzschicht 14 vorgesehen, welche den Ringresonator 12 an seiner Oberseite 17 sowie an seiner äußeren Mantelfläche 42 bedeckt. Dadurch liegt die innere Mantelfläche 43 des Ringresonators 12 frei, die mit dem zu messenden Medium in Kontakt kommt. Die äußere Schutzschicht bedeckt in diesem Falle auch die Oberseite des Trägers 10 vollständig. Wie bei der vorigen Ausführungsform ist in den Träger 10 der Wellenleiter 11 eingebettet, der so angeordnet ist, dass er mit dem Ringresonator 12 in noch zu beschreibender Weise zusammenwirken kann. Vorteilhaft sind wiederum zwei Wellenleiter 11, 11a in den Träger 10 eingebettet, die in Bezug auf den Ringresonator 12 gleich angeordnet sind wie bei der Ausführungsform gemäß den 3 bis 5. Die Schutzschicht 14 bedeckt den Träger 10 im Übrigen vollständig.
Der Sensor gemäß 16 ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie das Ausführungsbeispiel gemäß den 3 bis 5. Auf dem Träger 10 ist der Ringresonator 12 angeordnet, dessen innere Mantelfläche 43 durch die innere Schutzschicht 13 abgedeckt ist. Die Schutzschicht 13 bedeckt auch die Oberseite 17 des Ringresonators 12. Wie beim Ausführungsbeispiel nach den 3 bis 5 füllt die innere Schutzschicht 13 den gesamten Innenraum des Ringresonators 12 aus. In den Träger 10 sind außerdem die Wellenleiter 11, 11a eingebettet.
Die äußere Mantelfläche 42 des Ringresonators 12 ist mit einer dünnen Anlagerungs- oder Haftschicht 15 überzogen. Die Schicht 15 bedeckt auch die radial nach außen über die Mantelfläche 42 überstehende Unterseite 44 der äußeren Schutzschicht. Die Schicht 15 erstreckt sich über den Umfang der äußeren Mantelfläche 42 des Ringresonators 12 und hat eine solche Dicke, dass ihre äußere Mantelfläche mit der äußeren Mantelfläche der Schutzschicht 13 bündig liegt.
Anstelle der beiden Wellenleiter kann der Sensor auch nur den Wellenleiter 11 aufweisen.
Beim Ausführungsbeispiel nach 17 befindet sich die Haft/Anlagerungsschicht 16 an der Innenseite des Ringresonators 12. Die Schicht 16 bedeckt die innere Mantelfläche 43 des Ringresonators 12 sowie die radial nach innen über die Mantelfläche 43 überstehende Unterseite 45 der äußeren Schutzschicht 14. Die Schicht 16 erstreckt sich über den gesamten Umfang der Mantelfläche 43 und ist so dick, das ihre innere Mantelfläche mit der inneren Mantelfläche der Schutzschicht 14 bündig liegt. Bis auf die Schicht 16 entspricht diese Ausführungsform dem Ausführungsbeispiel gemäß 15. Auch bei dieser Ausführungsform kann nur der Wellenleiter 11 vorgesehen sein.
Die Ausführungsform gemäß 18 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß den 9 bis 11. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass auf die Oberseite 17 des Ringresonators 12 die Haft/Anlagerungsschicht 18 aufgebracht ist, die die gesamte Oberseite des Ringresonators 12 bedeckt. Die Oberseite 17 des Ringresonators 12 liegt so vertieft in den beiden Schutzschichten 13, 14, das die Oberseite der Haft/Anlagerungsschicht 18 bündig mit der Oberseite der beiden Schutzschichten 13, 14 liegt.
Anstelle der beiden in den Träger 10 eingebetteten Wellenleiter 11, 11a kann der Sensor auch nur den einen Wellenleiter 11 aufweisen, über den das Licht in den Ringresonator 12 eingekoppelt wird.
Die Haft/Anlagerungsschichten 15, 16, 18 können je nach Anwendungsfall als dünne Schichten dazu verwendet werden, um zum Beispiel Fängermoleküle 47a bzw. 53a zur Detektion von Nukleinsäuremolekülen 47b, 53b zu binden. Mit dem optischen Sensor können auf diese Weise beispielsweise makromonekulare Biopolymere detektiert werden.
Die äußeren oder inneren Mantelflächen 42, 43 sowie die obere Stirnseite 17 des Ringresonators 12 sind vorgesehen, um z. B. für die Messung spezieller Bestandteile Partikel oder Moleküle aus umgebendem Gas oder aus einer umgebenden Flüssigkeit z. B. durch Kondensation, durch eine chemische Reaktion, durch eine Änderung von Konzentrationsverhältnissen oder durch elektrische und/oder magnetische Felder zu binden, zu verschieben oder umzuorientieren. In den 16 bis 18 sind diese speziellen Bestandteile schematisch mit 47b angedeutet. Diese Bestandteile 47b lagern sich an der Außenseite der Haft/Anlagerungsschicht 15, 16, 18 an den Fängermolekülen 47a an, so dass sie durch die Messung erfasst werden können.
Diese Substanzen, Partikel oder Moleküle 47b können sich an der offenen äußeren oder inneren Mantelfläche 42, 43 oder an der offenen oberen Stirnseite 17 des Ringresonators 12 (3 bis 15) oder an der inneren oder äußeren oder oberen Haft/Anlagerungsschicht 15, 16, 18 (16 bis 18) anlagern oder an diesen Flächen kondensieren. Das Kondensat oder die angelagerten Substanzen, Partikel oder Moleküle 47b verändern den Brechungsindex an der entsprechenden Seite von n1 auf n2.
19 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl die äußere Mantelfläche 42 als auch die innere Mantelfläche 43 des Ringresonators 12 mit der Haft/Anlagerungsschicht 15, 16 bedeckt sind. Die äußere Schutzschicht 80 bedeckt die obere Stirnseite 17 des Ringresonators 12 und die oberen Stirnseiten 49, 50 der beiden Schichten 15, 16. Die Höhe der Schutzschicht 80 beträgt ein Mehrfaches der Höhe des Ringresonators 12 sowie der beiden Haft/Anlagerungsschichten 15, 16. Bei dieser Ausführungsform können sich die Bestandteile 47b an beiden Haft/Anlagerungs-schichten 15, 16 anlagern oder an ihnen kondensieren. Die innere Mantelfläche 81 der Schutzschicht 80 liegt bündig mit der Außenseite der inneren Haft/Anlagerungsschicht 16.
Anstelle der beiden in den Träger 10 eingebetteten Wellenleiter 11, 11a kann auch nur der Wellenleiter 11 vorgesehen sein. Die Wellenleiter 11, 11a sind entsprechend der Ausführungsform gemäß den 3 bis 5 relativ zum Ringresonator 12 angeordnet.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 3 bis 18 hat die die Mantelflächen 42, 43 bedeckende Schutzschicht 13, 14 eine unveränderliche konstante Brechungszahl. Diese Schutzschicht 13, 14 kann wegen dieser unveränderlichen, konstanten Brechungszahl als Referenz eingesetzt werden.
Der Sensor gemäß 19 kann zur Differenzmessung herangezogen werden. Beide Mantelflächen 42, 43 des Ringresonators 12 sind durch jeweils eine Haft/Anlagerungsschicht 15, 16 bedeckt. Dadurch besteht die Möglichkeit, mit dem Sensor Partikel in zwei unterschiedlichen Räumen 51, 52 zu erfassen. Die Haft/Anlagerungsschicht 15 befindet sich im Raum 51 und die Haft/Anlagerungsschicht 16 im Raum 52, der von der Schutzschicht 80 umgeben wird. An beiden Haft/Anlagerungsschichten 15, 16 werden die speziellen Bestandteile, Partikel der Moleküle 47b, 53b im Raum 51 bzw. im Raum 52 beispielsweise durch die Fängermoleküle 47a, 53a der Haft/Anlagerungsschichten 15, 16 angelagert oder an diesen Schichten kondensiert. Die Anlagerung kann auch durch eine chemische Reaktion, durch Änderung von Konzentrationsverhältnissen oder durch elektrische und/oder magnetische Felder erreicht werden, wobei die Partikel 47b, 53b entweder gebunden oder an ihnen haftende Partikel umorientiert werden. Die auf beiden Haft/Anlagerungsschichten 15, 16 befindlichen Bestandteile 47b, 53b können durch eine Differenzmessung erfasst werden.
Der Sensor kann in Anlehnung an das Ausführungsbeispiel gemäß 19 auch so ausgebildet sein, dass seine beiden Mantelflächen 42, 43 offen sind, d. h. nicht durch eine Haft/Anlagerungsschicht und/oder durch eine innere oder äußere Schutzschicht 13, 14 bedeckt sind.
Die Haft/Anlagerungsschicht 15, 16 besteht aus einem Material, mit dem die zu erfassenden Bestandteile 47b, 53b angelagert werden können. Auch der Ringresonator 12 besteht aus einem entsprechendem Material, an dem sich die zu erfassenden Bestandteile 47, 53 ablagern können, wenn die entsprechende Fläche nicht durch eine Haft/Anlagerungsschicht bedeckt ist.
20 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Ringresonator 12 an seiner äußeren Mantelfläche 42 von der Haft/Anlagerungsschicht 15 bedeckt ist. Auf dem Ringresonator 12 befindet sich die Schutzschicht 80, die eine ähnliche Ausbildung hat wie bei der Ausführungsform gemäß 19. Die Innenwand 81 der Schutzschicht 80 liegt bündig zur inneren Mantelfläche 43 des Ringresonators 12. Die Schutzschicht 80 ragt radial nach außen über den Ringresonator 12 und bedeckt die Stirnseite 17 des Ringresonators 12 sowie die Stirnseite 49 der Haft/Anlagerungsschicht 15. Die Haft/Anlagerungsschicht 15 ist entsprechend der vorigen Ausführungsform so ausgebildet, dass sie Fängermoleküle 47a für die Moleküle 47b aufweist.
Der Ringresonator 12 sitzt auf dem Träger 10, in den die Wellenleiter 11, 11a in der beschriebenen Weise eingebettet sind. Wie bei der vorigen Ausführungsform kann auch nur der das Licht zuführende Wellenleiter 11 vorgesehen sein.
Im Unterschied zur Ausführungsform nach 19 ist der Träger 10 mit mindestens einem Durchlass 72 versehen, der mit dem Raum 52 strömungsverbunden ist, der durch die Schutzschicht 80 begrenzt ist.
Beim Messvorgang strömt durch den Raum 52 sowie den Durchlass 72 ein Flüssigkeitsgemisch aus den beiden Flüssigkeiten C und D. Beide Flüssigkeiten C, D haben unterschiedliche Brechungsindizes.
Mittels des Ringresonators 12 kann das Mischungsverhältnis der beiden Flüssigkeiten C, D auf Grund des variierenden Brechungsindex n₁ erfasst werden. Der Brechungsindex n₁ ergibt sich nach der folgenden Beziehung: n₁ = f(C_x + D_1-x)
Aus dieser Gleichung ergibt sich, dass sich der Brechungsindex n in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis der beiden Flüssigkeiten C, D ändert.
Im Übrigen ist diese Ausführungsform gleich ausgebildet wie das Ausführungsbeispiel gemäß 19.
24 zeigt eine Vorrichtung, mit der beispielsweise der Taupunkt in einem Medium gemessen werden kann. Der Sensor befindet sich in einer Messkammer 31, in der sich das Medium befindet, dessen Taupunkt zu messen ist. Die Messkammer 31 befindet sich in einem Gehäuse 55, das wenigstens einen Einlass 56 und wenigstens einen Auslass 57 für das zu messende Medium A aufweist.
Der in der Messkammer 31 befindliche Sensor wird anhand der 23 näher beschrieben. Er hat den Träger 10, der auf einem Temperatureinstellelement 27 befestigt ist, das vorteilhaft ein Peltierelement ist, welches auch mehrstufig ausgebildet sein kann. Es kann als Kühl-, aber auch als Heizelement eingesetzt werden.
In den Träger 10 ist der Wellenleiter 11 eingebettet, der in der beschriebenen Weise mit geringem Abstand unterhalb der Oberseite 58 des Trägers 10 angeordnet ist. Auf der Trägeroberseite 58 sind mehrere Mikro-Ringresonatoren 21 bis 24 angeordnet. Der Ringresonator 21 wird zur Referenzwertmessung herangezogen und hat die Schutzschicht 59, welche den Ringresonator 21 sowie den vom Ringresonator umschlossenen Innenraum vollständig bedeckt. Die beiden Mantelflächen 42, 43 des Ringresonators 21 sind somit durch die Schutzschicht 59 abgedeckt.
Auch der Ringresonator 24 ist durch die Schutzschicht 59 vollständig abgedeckt. Wie sich aus 23 ergibt, sind die beiden Ringresonatoren 21, 24 gleich ausgebildet. Der Ringresonator 24 dient zur Bestimmung eines Temperaturwertes.
Die beiden Ringresonatoren 22, 23 sind gleich ausgebildet und haben eine Ausbildung entsprechend 4, jedoch nur mit einem Wellenleiter 11. Die innere Schutzschicht 13 deckt die innere Mantelfläche 43 sowie die obere Stirnseite des Ringresonators 22, 23 ab. Diese beiden Ringresonatoren 22, 23 werden zur Messung des Mediums herangezogen.
Die vier Ringresonatoren 21 bis 24 haben unterschiedliche optische Weglängen bzw. unterschiedliche freie Spektralbereiche FSR1 bis FSR4 (25). Dadurch können die Ringresonatoren 21 bis 24 spektral voneinander eindeutig unterschieden werden.
Das Temperatureinstellelement 27 sitzt auf einer Grundplatte bzw. Wärmesenke 26.
Die Ringresonatoren 21 bis 24 sind in Längsrichtung des Wellenleiters 11 mit Abstand hintereinander angeordnet. Die Zuordnung der Ringresonatoren 21 bis 24 zum Wellenleiter 11, in Draufsicht auf den Sensor gesehen, ist gleich, wie in den 4 und 5 dargestellt ist. Der kleinste Abstand zwischen dem Wellenleiter 11 und den Ringresonatoren 21 bis 24 ist der Messabstand, der die Größe des Koppelfaktors bestimmt. Er ist ein Maß für die Auskoppelung eines Teiles des Lichtes aus dem Wellenleiter 11 in die Ringresonatoren 21 bis 24.
An das eine Ende des Wellenleiters 11 ist eine Glasfaser 33 angeschlossen, über die Licht von einer Lichtquelle 30 in den Wellenleiter 11 eingeleitet wird. Die Lichtquelle 30 hat ein breitbandiges Spektrum und ist vorzugsweise eine LED. An das andere Ende des Wellenleiters 11 ist eine weitere Glasfaser 34 angeschlossen, über die das Transmissionsspektrum einem Spektrometer 32 zugeführt wird. Die Schnittstellen 60, 61 zum Anschluss der Glasfasern 33, 34 an den Wellenleiter 11 befinden sich in Wandungen des Gehäuses 55.
Das über die Glasfaser 34 zugeführte Licht tritt über eine Schlitzblende 62 in das Spektrometer 32 ein. Das Licht gelangt auf ein konkaves Gitter 63, an dem das Licht zu einem Detektor 64, vorzugsweise einem CCD-Detektor, reflektiert wird. Der Detektor 64 ist über eine Leitung 65 an eine Auswerteeinheit 66 angeschlossen. Sie hat einen Verstärker 36, vorzugsweise einen Linearverstärker, über den das vom Detektor 64 über die Leitung 65 zugeführte Signal einem Analog-Digital-Wandler 38 zugeführt wird. Er wandelt das analoge Lichtsignal in digitale Werte um, welche einem Mikrokontroller 39 zugeführt werden. An den Mikrokontroller sind eine Schnittstelle 40, die beispielsweise ein MODBUS-, eine Ethernet- oder eine WLAN-Schnittstelle sein kann, sowie ein Flash-EEPROM 41 angeschlossen. Das EEPROM 41 enthält verschiedene Kalibrierkurven, anhand derer die Lichtsignale ausgewertet werden können. Bei diesen Kalibrierkurven sind die Wellenlängen gegen die Brechungszahl, die Linienbreiten gegen die Absorption und die Wellenlängen gegen die Temperatur aufgetragen. Da das EEPROM 41 geflashed werden kann, können andere oder zusätzliche Kalibrierkurven eingespielt werden.
Die vom Mikrocomputer 39 ausgewerteten Signale werden über einen Digital-Analog-Wandler 37 dem Verstärker 36 zugeführt. Über eine Signalleitung 67 werden die digitalen Messsignale dem Temperatureinstellelement 27 zugeführt. Außerdem werden die digitalen Signale über eine Signalleitung 68 der Lichtquelle 30 zugeführt.
Die Messung des Wechsels von Medium A zu Medium B erfolgt über die beiden Ringresonatoren 22 und 23, um einen Wellenlängensprung, der größer als der freie Frequenzbereich der Ringresonatoren 21 bis 24 ist, detektieren zu können. Bei noch größeren Wellenlängensprüngen können weitere Mikro-Ringresonatoren zur Messung des Mediums eingesetzt werden.
Das von der Lichtquelle 30 erzeugte Licht wird über die Glasfaser 33 in den Wellenleiter 11 eingespeist, der z. B. durch Ionenimplantation in den Träger 10 eingebracht werden kann. Der Wellenleiter 11 koppelt im Wellenlängenbereich der Resonanzen mit einem entsprechend für die Finessen vorteilhaften Einkoppelgrad einen Teil des Lichtes in die Ringresonatoren 21 bis 24 aus. Die Ringresonatoren weisen zum Teil eine sehr hohe Finesse F auf, so dass in den Ringresonatoren Interferenzen mit dem Wellenleiter 11 entstehen. Der Anteil des in die Ringresonatoren eingekoppelten Teils des Lichtes kann in einem Transmissionsspektrum dargestellt werden, bei dem die Intensität gegen die Wellenlänge des Lichtes im Wellenleiter 11 aufgetragen ist. Aus diesem Transmissionsspektrum können die Wellenlängenminima herausgefiltert werden. Ein solches Absorptionsspektrum ist beispielhaft in 25 dargestellt, bei dem aus dem Absorptionsspektrum vier Kämme von Wellenlängenminima mit unterschiedlichen freien Spektralbereichen FSR1 bis FSR4, die bei der Einkoppelung des Lichtes aus dem Wellenleiter 11 in die Ringresonatoren entstehen, herausgefiltert worden sind. Je nach Ankoppelungsart können sich die Wellenlängenminima oder, wie beispielhaft im Transmissionsspektrum in 26 dargestellt, Wellenlängenmaxima parallel zueinander verschieben. Dies wird dadurch verhindert, dass die Messung über die beiden Ringresonatoren 22, 23 vorgenommen wird, mit denen der Wellenlängensprung detektiert werden kann, der größer ist als der freie Frequenzbereich der Ringresonatoren 21 bis 24. Je nach Ankoppelungsart verschieben sich die Wellenlängenminima oder -maxima parallel zueinander; durch unterschiedliche freie Frequenzbereiche von einem Wellenlängenminimum oder -maximum zum Nächsten weisen diese einen anderen Abstand zueinander auf. Durch den Einsatz zweier Ringresonatoren 22, 23 geht der Bezugspunkt nicht verloren.
Die parallele Verwendung von zwei (oder mehreren) Ringresonatoren mit etwas unterschiedlichen freien Spektralbereichen FSR1 und FSR2 zur Unterscheidung, die zu einem Referenz-Ringresonator mit einem dazu unterschiedlichen freien Spektralbereich FSR3 vermessen werden, hat erhebliche Vorteile. Über die Wellenlängendifferenz zwischen den Ringresonatoren entsteht ein fester Bezugspunkt, der sich als Nullpunkt kalibrieren lässt. Über die Wellenlängendifferenz zwischen zwei Ringresonatoren kann eine Verschiebung weit über die freien Spektralbereiche hinaus erkannt werden. Diese Verschiebung wird auch dann noch erkannt, wenn sie weit über den spektralen Bereich der Lichtquelle 30 hinausgeht. Die Verwendung der mehreren Ringresonatoren hat ein maximales hohes Auflösevermögen zur Folge, da sich der Effekt einer Änderung der effektiven Brechzahl mit dem Effekt einer Änderung des Modenbahndurchmessers multipliziert.
Da sich im Ringresonator in der beschriebenen Weise der Modenbahndurchmesser vergrößert, können Moleküle, die von der Haft/Anlagerungsschicht 15, 16 radial abstehen, radial ortsaufgelöst mit steigender oder fallender Brechzahl im inneren oder äußeren Bereich gemessen werden. Die Ortsauflösbarkeit lässt sich durch eine Quotientenrechnung mit dem Modenprofil noch weiter verbessern. Werden Ringresonatoren eingesetzt, die entsprechend 17 ausgebildet sind, kann der Effekt der radialen Ortsauflösung minimal eliminiert werden.
Die Messung der Wellenlängenmaxima oder -minima der Ringresonatoren 22, 23 wird als Differenzmessung gegenüber dem Ringresonator 21 durchgeführt, um Störungen in den Zuleitungen 33, 11 und im Spektrometer 32 zu kompensieren.
Die Ringresonatoren 21, 22, 23 bestehen beispielhaft aus dem hochbrechenden Material Ta₂O₅. Mit dem Ringresonator 24, der beispielsweise aus dem hochbrechenden Material TiO₂ bestehen kann, wird durch einen hohen thermooptischen Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex die Temperatur des Trägers 10 gemessen. Diese Messung kann auch als Differenzmessung zum Ringresonator 21 ausgeführt werden.
Der Träger 10 befindet sich auf dem Temperatureinstellelement 27, das vorteilhaft ein Peltierelement ist. Mit ihm kann der Träger 10 über einen elektrischen Betriebsstrom aufgeheizt oder abgekühlt werden. Die dabei entstehende Wärme und die Verlustwärme des Temperatureinstellelementes 27 werden über die Grundplatte 26 abgeführt, die eine Wärmesenke bildet.
Beim in 22 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Träger 10 im gasförmigen Medium A, das bei der Temperatur T1 des Trägers 10 nicht kondensiert.
Mit dem Temperatureinstellelement 27 wird die Temperatur des Trägers 10 so weit erniedrigt, dass sich bei der Temperatur T2 des Trägers 10 auf den Ringresonatoren 21 bis 24 das Kondensat B des Mediums A bildet (23). Die entsprechenden Signale zum Abkühlen des Temperatureinstellelementes 27 und damit des Trägers 10 werden über die Leitung 67 (24) von der Auswerteeinheit 66 zugeführt. Durch das Kondensat B wird der Brechungsindex geändert, was messtechnisch erfasst und ausgewertet wird.
Dies soll anhand der 21 beispielhaft erläutert werden.
Der Brechungsindex wird nicht nur durch Kondensat, sondern allgemein durch auf den Ringresonatoren abgelagerte Substanzen, Partikel oder Moleküle verändert. Bei der Ausführungsform gemäß den 3 bis 5 können sich das Kondensat beziehungsweise die Ablagerungen auf der äußeren Mantelfläche 42 des Ringresonators 12 ablagern. Bei der Ausführungsform gemäß 15 erfolgt die Ablagerung auf der inneren Mantelfläche 43 des Ringresonators 12 und beim Ausführungsbeispiel gemäß den 12 bis 14 auf der oberen Stirnseite 17 des Ringresonators 12. Sind, wie anhand der 16 bis 19 beispielhaft beschrieben, auf den jeweiligen Flächen 42, 43, 17 des Ringresonators 12 die Anlagerungs/Haft- schichten 15, 16, 18 vorgesehen, dann lagern sich das Kondensat oder die Substanzen, Partikel oder Moleküle auf diesen Anlagerungs/Haftschichten 15, 16, 18 an. In allen Fällen ändert sich der Brechungsindex von n1 auf n2.
in 21 sind die Brechungszahlen n1 bis n4 angegeben. Das Medium A hat die Brechungszahl n1, das Kondensat B die Brechungszahl n2, die Schutzschicht 13 die Brechungszahl n3 und der Ringresonator 12 die Brechungszahl n4.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 21 stehen die Brechungszahlen in folgender Beziehung zueinander:
n1 < n2
n3 < n4
n1 < n3
n2 > n3
n2 < n4
Das Kondensat sowie die anderen möglichen Ablagerungen führen dazu, dass der Brechungsindex des eingestrahlten Lichtes verändert wird, wodurch sich eine Wellenlängenverschiebung ergibt. Der kleinste Abstand zwischen dem Wellenleiter 11 und dem Ringresonator 12 ist der Messabstand, der die Größe des Koppelfaktors bestimmt. Er ist ein Maß für die Auskoppelung eines Teiles des Lichtes aus dem Wellenleiter 11.
Das ausgekoppelte Licht läuft im Ringresonator 12 in Form eines Modenprofiles um. In 21 ist der Intensitätsverlauf dieses Modenprofiles gegen den Radius bzw. Durchmesser des Ringresonators 12 dargestellt. Im Bereich des Materials des Ringresonators 12 hat das Modenprofil eine maximale Intensität I. Der Abstand der beiden Intensitätsmaxima ist in der linken Abbildung der 21 mit D1 bezeichnet. Die beiden Linien 69, 70, die durch das Maximum der beiden Intensitätskurven verlaufen, bilden die Mittehalbierenden des im Ringresonator 12 umlaufenden Modenprofiles 71, das in 21 schematisch durch einen gestrichelten Kreis dargestellt ist.
Die rechte Abbildung der 21 zeigt den Fall, dass sich auf der jeweiligen Messoberfläche 42 des Ringresonators 12 eine Ablagerung B gebildet hat, die ein Kondensat oder eine sonstige Substanz, sonstige Partikel oder Moleküle sein kann. Diese Ablagerung B hat eine andere Brechungszahl als das Medium A. Im Ausführungsbeispiel hat das Medium A die Brechungszahl n1, die kleiner ist als die Brechungszahl n2 der Ablagerung B. Diese Änderung der Brechungszahl führt zu einer Veränderung des Bahndurchmessers D2 des Modenprofiles 71 im Ringresonator 12. Da der Brechungsindex n1 kleiner als der Brechnungsindex n2 ist, führt dies zu einer Zunahme des Bahndurchmessers D2.
Wird ein Ringresonator 12 eingesetzt, bei dem die äußere Mantelfläche durch die Schutzschicht 13 bedeckt ist, dann führt dies dazu, dass sich der Bahndurchmesser des Modenprofiles 71 im Vergleich zur linken Darstellung der 21 verringert.
Die beschriebene Änderung des Moden-Bahndurchmessers von D1 auf D2 verändert die optische Weglänge und damit die Eigenfrequenzen des Ringresonators 12. Dies wiederum hat zur Folge, dass sich im Absorptions- oder Transmissionsspektrum (25, 26) des Wellenleiters 11 die Wellenlängenminima oder -maxima verschieben. Der freie Spektralbereich zwischen den Wellenlängenminima oder -maxima ändert sich entsprechend.
Umgekehrt lässt sich aus der Wellenlängenverschiebung ein unbekannter Brechungsindex ermitteln. Im vorliegenden Beispielsfall könnte der Brechungsindex n2 aufgrund der Wellenlängenverschiebung/en ermittelt werden. Aus dem so ermittelten Brechungsindex n2 kann dann auf das Kondensat bzw. die Ablagerung B geschlossen werden. Dies ist beispielsweise durch eine Kalibrierung mit bekannten Substanzen, Partikeln oder Molekülen möglich, die beispielsweise im EEPROM 41 abgelegt bzw. gespeichert sein können.
Die Wellenlängenminima oder -minima aus dem Resonanzverhalten im Absorptions- oder Transmissionsspektrum eines Ringresonators lassen sich durch folgende Gleichung berechnen: m·λ_m = n_eff·∅_B·π
Hierbei bedeuten:

m: = longitudinale Modenanzahl (integer)
λ_m: = Wellenlänge der Resonanz mit der Modenanzahl m
n_eff.: = effektive Brechzahl
∅_B: = Durchmesser der Umlaufbahn der Moden

Hierbei ergibt sich die effektive Brechzahl n_eff aus dem Verlauf des transversalen Modenprofils entlang dem Brechungsindexprofil, welches sich vom Kern bis in den Mantel des Ringresonators 12 erstreckt.
Der einfachste Fall wäre z. B. eine zu einem Ring gebogene Single-Mode-Faser mit einem kreisrunden Kern, die einen Gaußstrahl führt. Für diesen Fall gelten die folgenden Gleichungen für die numerische Apertur NA bzw. den maximalen Öffnungswinkel Θ_max: NA = SIN(θ_max) = WURZEL(n_k ² – n_m ²)
Hierbei bedeuten:

n_k: = Brechzahl des Kern
n_m: = Brechzahl des Mantels

Weiter gilt für die Strahltaille wo der Mode bei einer Intensität von 1/e²: θ_max = 2·ARCTAN(λ/(π·ω₀))
Diese beiden Gleichungen lassen sich nach ω₀ auflösen, wodurch sich ergibt: ω₀ = λ/(T·TAN(ARCSIN(WURZEL(n_k ² – n_m ²))/2)
Aus dieser letzten Gleichung ergibt sich für eine Single-Mode-Faser, dass im Falle einer Änderung der Brechzahl n_m des Materials des Mantels sich der Durchmesser des transversalen Modenprofils des Gaußstrahles verändert, auch wenn die Brechzahl n_k des Materials des Kerns konstant bleibt.
Bei einem Wellenleiter mit einem sehr kleinen und eckigen Kernquerschnitt würde das Modenprofil seine Form etwas verändern, so dass sie nicht genau rund wäre, sofern es nicht zu einer Splittung des Modes kommen würde.
Im Falle eines solchen Wellenleiters, der außerdem noch einen Mantel mit einem asymmetrischen Brechzahlprofil aufweist, wie z. B. einem quadratischen Kernquerschnitt, der mit einer Fläche an ein anderes Medium angrenzt, würde sich die Form der Modes weiter verändern, so dass der Schwerpunkt der transversalen elektrischen Feldverteilung des Modes in jene Richtung wandern würde. Dieser Zusammenhang ist anhand der 21 beispielhaft erläutert worden.
Dieser Effekt ändert nicht nur den Schwerpunkt des Modenprofils, der für die Bahn und im Falle eines Ringresonators für den Bahndurchmesser ∅_B verantwortlich ist, sondern auch das Integral über den Brechungsindex entlang der Verschiebung in den Grenzen der Modes.
Der Effekt der Verschiebung der Wellenlänge λ_m einer Modenzahl m durch ein geändertes optisches Medium kann bei einem Ringresonator nach der oben genannten Gleichung in zwei Effekte unterteilt werden:

• die Änderung des effektiven Brechungsindex-Profils n_eff entlang des transversalen Modenprofils
• die aus diesem Effekt entstandenen Verschiebungen des Schwerpunkts des elektrischen Feldes der Modes verändern die Umlaufbahn bzw. den Bahndurchmesser ∅_B.

Sollten das Kondensat oder die angelagerten Substanzen, Partikel oder Moleküle im Wellenlängenbereich des von der Lichtquelle 30 ausgesandten Lichtes eine Absorption bewirken, so ändert sich außerdem die Finesse und damit die Linienbreite der Wellenlängenminima. Die Finesse sowie die Breite der Wellenlängenminima kann messtechnisch erfasst und berechnet werden.
Auf diese Weise kann zumindest teilweise ein komplexer Brechungsindex n = n + iK hochgenau vermessen und berechnet bzw. kalibriert zugeordnet werden. Bei dieser Gleichung bedeuten:

n: = normaler Brechungsindex
i: = Imaginäranteil
K: = Wert des Imaginäranteils, der dem Absorptionsindex entspricht.

Im Fall einer Kondensation ist die Temperatur des Ringresonators 12 bei der Verschiebung der Wellenlängenminima oder -maxima mit der Taupunkttemperatur DT übereinstimmend. Die mit dem Kondensat bzw. den Ablagerungen beaufschlagte Fläche 42, 43, 17, 15, 16, 18 der Ringresonatoren 12, 21 bis 24 ist sehr klein und beträgt beispielsweise nur etwa 15 μm². Im Vergleich zu den herkömmlichen Taupunktsensoren, wie sie anhand der 1 und 2 erläutert worden sind, ist die Messfläche sehr gering. Bei den bekannten Taupunktsensoren beträgt diese Mess- bzw. Kondensationsfläche typischerweise etwa 4 mm². Aufgrund der sehr geringen Messflächen kann beispielsweise die Bedeckung der Messfläche mit dem Kondensat sehr schnell erreicht werden. Dies wiederum ermöglicht es, bei Temperaturänderungen sehr steile Messsignale zu erhalten, mit denen eine sehr präzise Messung der Taupunkttemperatur DT und eine Regelung auf diesen Taupunktwert möglich ist.
Der optische Sensor kann vielseitig eingesetzt werden. So kann er beispielsweise als Refraktometer in Form einer Durchflusszelle zur Bestimmung des Zuckergehaltes in Wein, in Traubensäften oder in einer Bierwürze, zur Bestimmung des Salzgehaltes im Wasser oder zur Bestimmung des Wasseranteils in der Milch eingesetzt werden.
Ein weiterer vorteilhafter Einsatzfall stellt der Bereich der Strömungschemie dar. Dort kann der optische Sensor bei der Oxazol-Bildung, bei der Fluorinationsreaktion, für eine genaue Steuerung von Reagenzienzugaben in Strömungsprozessen zur Analyse von Strömungsprozessen als Kraftstoffmischer oder für eine Alken-Ozonolyse beispielhaft eingesetzt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Anwendung kann der optische Sensor als optische Pinzette zum Fangen und Führen von Zellen ausgebildet sein. Hierbei wird das elektromagnetische Feld oder werden die elektromagnetischen Felder durch entsprechende Ausbildung der äußeren und/oder inneren Mantelflächen 42, 43 eines oder mehrerer Ringresonators/-en 12 durch Variieren der Brechzahl im inneren oder äußeren Bereich verschoben und orientiert.

Claims

Optischer Sensor zur Messung mindestens eines charakteristischen Merkmals eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums, mit mindestens einer Lichtquelle, die Licht in wenigstens einen optischen Leiter einleitet, der wenigstens eine Messfläche aufweist, und mit wenigstens einem Lichtempfänger, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Leiter ein Ringresonator (12, 21 bis 24) ist, in den Licht aus einem Wellenleiter (11) ausgekoppelt wird und in dem ein dem ausgekoppelten Lichtanteil entsprechendes Modenprofil umläuft, dessen Bahnradius (D1, D2) und/oder effektive Brechzahl sich durch Ablagerungen (B) auf der Messfläche (15, 16, 18; 42, 43, 17) ändert.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (42, 43, 17) eine innere und/oder äußere Mantelfläche und/oder Stirnfläche des Ringresonators (12, 21 bis 24) ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (15, 16, 18; 42, 43, 17) eine Größe von etwa 10 μm² bis etwa 100 μm², vorzugsweise von etwa 15 μm² hat.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und/oder äußere Mantelfläche und/oder Stirnfläche (42, 43, 17) des Ringresonators (12, 21 bis 24) mit einer Haft/Anlagerungsschicht (15, 16, 18) bedeckt ist, deren Innen- oder Außenseite die Messfläche bildet.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere oder äußere Mantelfläche (42, 43) von einer Schutzschicht (13, 14) bedeckt ist, die eine Referenzfläche mit konstanter Brechungszahl bildet.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringresonator (12, 21 bis 24) auf einem Träger (10) sitzt, in den der Wellenleiter (11) eingebettet ist.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) auf mindestens einem Temperatur-Einstellelement (27) sitzt, das vorzugsweise ein Peltierelement ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Wellenleiter (11) und dem Ringresonator (12, 21 bis 24) den Koppelfaktor bestimmt.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (32) ein Spektrometer ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass längs des Wellenleiters (11) mehrere Ringresonatoren (12, 21 bis 24) hintereinander angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (11) aus ioneninplantierten Gläsern oder Kristallen oder optischen PVD-, LPE- oder CVD-Schichten besteht.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Ringresonator/en (12, 21 bis 24) wenigstens eine optische PVD-, LPE- oder CVD-Schicht aufweist/aufweisen, wie z. B. Si, SiO₂, ZrO₂, TiO₂ oder Ta₂O₅.