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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einkopplung von Licht in einen Lichtleiter sowie einen entsprechenden Lichtleiter und einen Sensor. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verstärkung des evaneszenten Feldes in einem Lichtleiter.
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Fällt Licht beim Übergang von einem ersten Medium mit höherem Brechungsindex, z.B. Glas, in ein zweites Medium, z.B. Wasser, dann tritt bei Winkeln, die größer sind als ein durch die Brechungsindizes vorgegebener Grenzwinkel („Grenzwinkel der Totalreflexion“) gemessen zum Lot zur Grenzfläche, Totalreflexion auf. Dabei wird im Wesentlichen das gesamte Licht an dieser Grenzfläche in das erste Medium zurückgeworfen bzw. reflektiert. Bei diesem Prozess entsteht in dem zweiten Medium ein evaneszentes Feld, d.h. ein stehendes elektromagnetisches Feld, welches exponentiell in das zweite Medium abfällt. Die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes in das zweite Medium beträgt typischerweise wenige hundert Nanometer.
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Unter einem Lichtleiter im Sinne der Erfindung versteht man ein lichtleitendes Material in Form einer Faser, Röhre, eines Stabes oder eines sonstigen in einer Dimension langgestreckten Elements, das Licht über kurze oder lange Strecken transportieren kann. Dieses lichtleitende Material, welches das oben genannte erste Medium darstellt, ist in der Regel von einem weiteren Material („Ummantelung“) umhüllt. Das umgebende Material wäre in diesem Falle das zweite Medium und weist einen kleineren Brechungsindex als das lichtleitende Material auf.
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Im Stand der Technik wird ein evaneszentes Feld durch eine koaxiale Einkopplung in einen Lichtleiter und der daraus resultierenden Totalreflexion erzeugt. Die Patentschrift
DE 19907422 B4 zeigt eine Vorrichtung zur koaxialen Einkopplung. Ein weiteres Beispiel findet sich auch in der Patentschrift
DE 102007027615 B4 , bei der mit Hilfe von zwei asphärischen Linsen das Licht von Leuchtdioden koaxial in eine Faser eingekoppelt wird.
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US 5,858,800 A beschreibt wie anregendes Licht in einen plattenförmigen optischen Wellenleiter eingeführt wird und eine evaneszente Welle erregt, welche wiederum fluoreszierendes Licht erregt, das unter anderem in einer Richtung abgestrahlt wird, die das anregende Licht kreuzt. Dieses Licht wird von einem Fluoreszenzlichtdetektor erfasst. Das Anregungslicht und das Fluoreszenzlicht werden dabei räumlich getrennt, um Streulicht zu reduzieren.
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US 2007/0014692 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Bindung zwischen Molekülen unterschiedlicher Typen mit einem Sensor mit einem Wellenleiter, an dem nahe bei seiner Oberfläche Merkmale angebracht wurden, die Molekülen des ersten Typs ähneln. Licht wird in den Wellenleiter eingekoppelt und erzeugt an dessen Oberfläche ein evaneszentes Feld. Moleküle des zweiten Typs werden mit einer optischen Markierung versehen. Die Vorrichtung überwacht Änderungen des optischen Signals von dem Wellenleiter.
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US 2013/0121634 A1 befasst sich mit einer Vorrichtung zum Beleuchten einer Probe mit einem planaren Wellenleiter aus zwei voneinander beabstandeten Substraten, welche ein Volumen zum Einschließen einer Probe definieren. Die Vorrichtung umfasst auch eine Lichtquelle, die auf den planaren Wellenleiter gerichtet ist, so dass das Licht optisch mit dem planaren Wellenleiter zwischen den Außenflächen der Substrate gekoppelt ist, während die Probe beleuchtet wird.
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US 2007/0183715 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Multiplexen bei Lichtwellenleiterkommunikationen bzw. zur räumlichen Domänenmodulation in optischen Wellenlängen. Es werden dazu kollimierte Laserstrahlen auf unterschiedliche Weise gleichzeitig in ein Glasfaserkabel eingekoppelt.
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Das evaneszente Feld kann aufgrund seiner geringen Eindringtiefe zu einer selektiven Untersuchung bzw. Manipulation der unmittelbaren Umgebung der Grenzfläche genutzt werden. In der Diagnostik wird zum Beispiel unter Ausnutzung des evaneszenten Feldes eine Anregung von fluoreszenzmarkierten Antikörpern vorgenommen (s. z.B.
DE 69230420 T2 ). In der Messtechnik werden ATR-Sensoren („ATR“: Abgeschwächte TotalReflexion) verwendet, bei denen die Absorption von stark absorbierenden Medien über die Abschwächung des evaneszenten Feldes im umgebenden Medium gemessen wird. Des Weiteren ist eine taperförmige Faser bekannt, die durch ihren spitz zulaufenden Verlauf eine Aufsteilung der Winkel der Lichtstrahlen erreicht, bis sie den Grenzwinkel der Totalreflexion verletzen und ausgekoppelt werden. Die Einkopplung erfolgt auch hier stets koaxial.
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Die Wellenlänge der dazu eingesetzten elektromagnetischen Strahlung kann von einigen nm bis in den Millimeterbereich reichen.
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Um ein möglichst ausgeprägtes evaneszentes Feld erreichen zu können, kann auch die Oberfläche des Lichtleiters vergrößert werden. In der Patentschrift
DE 10127497 B4 wird diese Methode durch freistehende Lichtleiter mit spiral- und mäanderförmigen Strukturen beschrieben.
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Der Nachteil bei den Lösungen des Standes der Technik ist stets, dass man keinen direkten Einfluss auf die Stärke des evaneszenten Feldes hat, sondern nur über teilweise aufwändige und teure Strukturierungsmaßnahmen. Nachteilig bei der üblichen koaxialen Einkopplung ist die ineffiziente Nutzung der Lichtquelle, da ein großer Teil der Strahlung des Lichts mittig im Lichtleiter verläuft und nicht mit der Mantelfläche des lichtleitenden Materials wechselwirkt, d.h. keinen Beitrag zur Entstehung des evaneszenten Feldes liefert.
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Aufgabe der Erfindung war es die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Einkopplung von Licht in einen Lichtleiter zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, über die Art der Lichteinkopplung das evaneszente Feld bei der Totalreflexion im Lichtleiter zu beeinflussen. Darüber hinaus war es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Lichtleiter zur Verfügung zu stellen, der das erfindungsgemäße Prinzip selbst bei einer konventionellen Einkopplung realisiert, sowie einen verbesserten Sensor zur Verfügung zu stellen. Insbesondere war Aufgabe der Erfindung eine Verstärkung des evaneszenten Feldes in einem Lichtleiter zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie einen Lichtleiter und einen Sensor gemäß den Ansprüchen gelöst. Es sollte beachtet werden, dass die im Folgenden beschriebenen Merkmale für alle Ausführungsmöglichkeiten verwendet werden können. So können z.B. Merkmale, die im Zuge des Verfahrens genannt werden, auch für die Vorrichtung, den Lichtleiter oder den Sensor verwendet werden und umgekehrt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einkopplung von Licht in einen Lichtleiter, insbesondere zur Verstärkung des evaneszenten Feldes in diesem Lichtleiter, umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellung eines Lichtleiters
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Dieser Lichtleiter umfasst einen (zentralen) lichtleitenden Festkörper, der so gestaltet ist, dass ein auf dessen Mantelfläche hervorgerufenes evaneszentes Feld zumindest in einem Bereich der Mantelfläche in ein Fluid eindringen kann. Der lichtleitende Festkörper wird im Folgenden auch als „lichtleitende Faser“ bezeichnet, was jedoch nicht ausschließt, dass der lichtleitende Festkörper als Röhre Stab oder als ein sonstiges in einer Dimension langgestrecktes Element ausgebildet sein kann. Die Forderung, dass ein auf der Mantelfläche der lichtleitenden Faser (selbstverständlich durch einen in der lichtleitenden Faser totalreflektierten Lichtstrahl) hervorgerufenes evaneszentes Feld zumindest in einem Bereich der Mantelfläche in ein Fluid eindringen kann, bedingt, dass der Lichtleiter in einem Bereich keine Ummantelung der lichtleitenden Faser aufweist oder eine Ummantelung aufweist, deren Dicke zumindest kleiner ist als 200 nm, bevorzugt kleiner als 100 nm, insbesondere kleiner als 50 nm oder gar kleiner als 10 nm, da ein evaneszentes Feld eine vergleichsweise geringe Eindringtiefe im Bereich von (in der Regel) höchstens einigen hundert nm hat. Als Ummantelung wird ein festes (in der Regel durchsichtiges) Material angesehen, welches einen kleineren Brechungsindex als die lichtleitende Faser aufweist, da ansonsten keine Totalreflexion auftreten würde. Die lichtleitende Faser kann in diesem Bereich aber auch nur von einem Fluid umgeben sein, also einem Gas, z.B. Luft, oder einer Flüssigkeit, z.B. Wasser. Die Flüssigkeit kann auch eine vergleichsweise hohe Viskosität aufweisen, z.B. als Gel oder in Form einer Nährflüssigkeit. Letztlich kann die Faser auch von einem Film umfassend organisches Material umgeben sein, z.B. einem Biofilm oder Plaque. Liegt die Mantelfläche des lichtleitenden Materials direkt außen, also in der Regel von Luft, Wasser, oder z.B. einer Nährflüssigkeit umhüllt vor, dann kann sich das evaneszente Feld direkt in diesem Medium ausbilden. Zur Anregung von Oberflächenplasmonen, z.B. zu einer weiteren Verstärkung des evaneszenten Feldes, sind aber auch dünne metallische Schichten als Ummantelung möglich. Die lichtleitende Faser des Lichtleiters weist in diesem bevorzugten Fall auf ihrer Mantelfläche eine metallische Schicht auf, deren Dicke bevorzugt kleiner ist als 200 nm, bevorzugt kleiner als 100 nm, insbesondere kleiner als 50 nm oder gar kleiner als 10 nm.
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Es ist in einem besonderen Anwendungsfall bevorzugt, dass der Bereich des Lichtleiters, in dem ein auf der Mantelfläche der lichtleitenden Faser hervorgerufenes evaneszentes Feld in ein Fluid eindringen kann, einen vergleichsweise großen Bereich des Lichtleiters einnimmt. Dies ist insbesondere in dem Fall vorteilhaft, in dem das Verfahren in einem großflächigen Sensor eingesetzt werden soll. Bevorzugt umfasst dieser Bereich mindestens 50% der Länge des Lichtleiters, insbesondere mindestens 70%. In diesem Bereich weist der Lichtleiter also keine Ummantelung auf oder die Ummantelung ist dort (wie oben beschrieben) dünner als 200 nm.
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In einem anderen bevorzugten Anwendungsfall umfasst der Lichtleiter überall dort, wo keine Messung stattfinden soll, eine Ummantelung, was vorteilhaft für seine Stabilität ist. Der Lichtleiter weist also auf längeren Strecken eine Ummantelung auf und nur dort (ggf. über relativ kurze Strecken), wo man messen will, ist keine Ummantelung vorhanden bzw. nur die oben genannte dünne Ummantelung vorhanden. Ein Beispiel für einen Sensor ist eine Tauchsonde, mit der erst in einer bestimmten Tiefe gemessen werden soll. Der Lichtleiter kann aber auch so gestaltet sein, dass er mindestens zwei Bereiche ohne bzw. mit dünner Ummantelung umfasst, zwischen denen Bereiche mit einer Ummantelung vorliegen. Es können sich auch Bereiche ohne und mit der (oben genannten) dünnen Ummantelung abwechseln.
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Wird im Folgenden von einem Lichtleiter gesprochen ist ein Lichtleiter wie vorangehend beschrieben gemeint.
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Der Lichtleiter kann im Grunde eine beliebige Form aufweisen, wobei er jedoch stets langgezogen sein sollte, insbesondere mit einer konstanten Querschnittsfläche, wobei für einige Anwendungen auch eine getaperte Form vorteilhaft sein könnte. Das bevorzugte Verhältnis aus Länge und Durchmesser sollte größer als 10 sein, bevorzugt größer als 50, insbesondere größer als 100, damit eine mehrfache Totalreflexion an der Mantelfläche auftreten kann. Je nach Anwendung kann aber auch ein Lichtleiter bevorzugt sein, dessen Länge im Wesentlichen seiner Dicke entspricht, das Verhältnis aus Länge und Durchmesser also kleiner als 10 ist, insbesondere kleiner als 3, jedoch insbesondere größer als 0,5.
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Die Querschnittsfläche des Lichtleiters hat bevorzugt eine elliptische (insbesondere kreisförmige), rechteckige (insbesondere quadratische), dreieckige oder mehreckige Form. Für einige Anwendungen sind auch Formen bevorzugt, die zusammen oder auseinander laufend sind.
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Bei komplexen Geometrien, bei denen der Grenzwinkel der Totalreflexion verletzt werden könnte, sind bevorzugt die entsprechenden Bereiche des Lichtleiters verspiegelt, um das Licht zu reflektieren. Bevorzugt ist die distale (auskoppelseitige bzw. die von einer Lichtquelle abgewandte) Endfläche des Lichtleiters verspiegelt, wodurch das Licht wieder zurückreflektiert und das evaneszente Feld zusätzlich verstärkt wird, was besonders für Sensoren vorteilhaft ist.
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- Bereitstellung einer Lichtquelle
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Diese Lichtquelle sollte dazu ausgelegt sein, ein gerichtetes Lichtfeld, z.B. einen Lichtkegel, zu emittieren. Auch wenn im Grunde radial abstrahlende Lichtquellen verwendet werden könnten, kann bei diesen lediglich dasjenige Lichtfeld betrachtet werden, was in einen Lichtleiter eingekoppelt werden kann, welches wiederum einem Lichtkegel entspricht. Der Bereich maximaler Intensität befindet sich dabei im Zentrum des Lichtfeldes. Bevorzugt sind Lichtquellen mit gerichteter Abstrahlcharakteristik, also Lichtquellen, die ein Strahlprofil in einen bestimmten (insbesondere kegelförmigen) Raumbereich emittieren. Bevorzugte Lichtquellen sind Laser, (Laser-)LED, VCSEL, oder Quecksilberdampflampen.
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Lichtstrahlen stehen senkrecht zu den Wellenfronten der Lichtquelle und zeigen in Ausbreitungsrichtung des Lichts. Die Intensität des Lichts wird häufig über die Dichte der Lichtstrahlen beschrieben. Der resultierende Strahl des emittierten Lichtfeldes, also z.B. das Zentrum eines emittierten Lichtkegels, wird hier als „resultierender Lichtstrahl“ bezeichnet. Verwendet man einen Laser als Lichtquelle, ist der Öffnungswinkel des emittierten Lichtkegels sehr klein, so dass der Laserstrahl in erster Näherung als resultierender Lichtstrahl angesehen werden kann. Der resultierende Lichtstrahl repräsentiert die Abstrahlrichtung des Lichtfeldes (bei gleichmäßigem Querschnitt dessen Zentrum, insbesondere die Bereiche maximaler Intensität im Zentrum). Da der resultierende Lichtstrahl das (relevante) Lichtfeld charakterisiert, kann auch gesagt werden, dass die Lichtquelle einen Lichtstrahl emittiert, selbst wenn sie in der Realität stets einen Lichtkegel abstrahlt.
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Auch wenn Lichterzeuger als Lichtquellen bevorzugt sind, ist es aber nicht zwingend notwendig, dass die Lichtquelle aktiv Licht erzeugt. Sie kann es auch einfach nur „Liefern“. Die Lichtquelle kann insbesondere ein anderer Lichtleiter sein, so dass das Verfahren nicht nur für eine Einkopplung von Licht, sondern auch für eine Umkopplung geeignet ist.
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Zur Fokussierung des emittierten Lichtfeldes kann zusätzlich eine Fokussierungsoptik bereitgestellt werden. Diese hat den Vorteil, dass sie möglichst viel des abgestrahlten Lichts auf den Kopplungsort fokussieren kann, so dass möglichst wenig Licht verloren geht. Bevorzugte Elemente einer Fokussierungsoptik sind Linsen und/oder Linsensysteme.
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- Einkopplung des Lichtfeldes in den Lichtleiter
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Diese Einkopplung wird im Gegensatz zum Stand der Technik nicht koaxial zum Lichtleiter vorgenommen, sondern gezielt nicht-koaxial, so dass der resultierende Lichtstrahl des Lichtfeldes nach der Einkopplung in den Lichtleiter unter einem Winkel zwischen 89° und dem Grenzwinkel der Totalreflexion schräg zur Flächennormalen der Grenzfläche des Lichtleiters durch den Lichtleiter propagiert. Zumindest sollte der Winkel, in dem der resultierende Lichtstrahl zur Flächennormalen der Grenzfläche des Lichtleiters durch den Lichtleiter verläuft, erfindungsgemäß kleiner als 89° sein, insbesondere kleiner als 85°, bevorzugt kleiner als 80°. In einem zylindrischen Lichtleiter würde also der resultierende Lichtstrahl relativ zur Längsachse (bzw. zur Grenzfläche) des Lichtleiters in einem Winkel von zumindest 1°, insbesondere mehr als 5°, bevorzugt mehr als 10°, schräg verlaufen. Der Winkel sollte dabei selbstverständlich stets kleiner sein als der Grenzwinkel der Totalreflexion, damit überhaupt Totalreflexion auftritt.
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Der Verlauf des resultierenden Lichtstrahls sollte so gewählt werden, dass möglichst viel der Intensität des Lichtfeldes möglichst nahe am Grenzwinkel der Totalreflexion durch den Lichtleiter propagiert, damit das evaneszente Feld an der Grenzfläche des Lichtleiters möglichst stark ausgeprägt ist. Sei der Winkel T die Differenz aus 90° abzüglich dem Grenzwinkel der Totalreflexion, so ist bevorzugt, dass der Winkel, in dem der resultierende Lichtstrahl zur Grenzfläche des Lichtleiters durch diesen propagiert, größer als 0,5T, bevorzugt > 0,7T, besonders bevorzugt mehr als 0,9 T, ist, damit der resultierende Lichtstrahl möglichst häufig totalreflektiert wird. Ideal für die Häufigkeit wäre eine Einstrahlung nahezu im Grenzwinkel. Hierzu sollte aber der Öffnungswinkel des Strahlkegels zusätzlich beachtet werden. Es ist besonders bevorzugt, dass der Winkel des resultierenden Lichtstrahls so gewählt wird, dass mindestens 90% der Intensität des Lichtfeldes totalreflektiert wird.
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Es sei angemerkt, dass der vorgenannte Winkel nur im Bereich der Einkopplung im Lichtleiter vorherrschen muss. In dem Fall, dass der Lichtleiter gebogen ist oder in seinem Verlauf Unregelmäßigkeiten aufweist, kann sich dieser Winkel bei der Propagation des Lichts durch den Lichtleiter möglicherweise ändern. Bezüglich des Winkels wurde zunächst bewusst der Bereich der Einkopplung in den Lichtleiter gewählt, also der Winkel, den der resultierende Lichtstrahl im Lichtleiter zu dessen Grenzfläche hat, und nicht der Einkoppelwinkel, da dieser von den Brechungsindizes der Medien am Ort der Einkopplung abhängt. Ein Lichtstrahl wird beim Eintritt in den Lichtleiter zunächst gebrochen, so dass der resultierende Lichtstrahl im Lichtleiter nicht mehr mit dem Einkoppelwinkel propagiert, sondern mit einem anderen Winkel. Dieser andere Winkel ist der oben beschriebene. Bei einer schiefen Einkoppelfläche muss deren Ausrichtung noch zusätzlich berücksichtigt werden.
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Erfindungsgemäß wird der resultierende Lichtstrahl zusätzlich noch so eingekoppelt, dass er versetzt zum Zentrum des Lichtleiters verläuft. Es ist dabei grundsätzlich unerheblich, ob es andere Lichtstrahlen im Lichtkegel gibt, die aufgrund eines anderen Abstrahlwinkels zufällig koaxial verlaufen, da der resultierende Lichtstrahl das Lichtfeld repräsentiert, dessen Bereich maximaler Intensität im Zentrum liegt. Eine Einkopplung des resultierenden Lichtstrahls, so dass dieser dezentral zur Längsachse des Lichtleiters propagiert, erzeugt zusammen mit der erfindungsgemäßen schrägen Einkopplung einen helikalen Verlauf des resultierenden Lichtstrahls im Lichtleiter. Dadurch ergibt sich eine sehr homogene Durchmischung der Strahlen des durch den Lichtleiter propagierenden Lichtfeldes, woraus ein sehr homogenes evaneszentes Feld an dessen Grenzfläche resultiert.
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Die seitliche Verschiebung relativ zum Radius r des Lichtleiters von dessen Zentrum aus gesehen ist > 0,1r, insbesondere > 0,3r, oder gar > 0,5r. Hierbei ist es jedoch für die eingekoppelte Leistung von Vorteil, wenn kein Licht verloren geht, also der auf den Lichtleiter treffende Strahldurchmesser kleiner ist, als die kürzeste Strecke des Auftreffpunktes des resultierenden Lichtstrahls auf den Lichtleiter zu dem Rand des Lichtleiters. Kurz: Die Dezentrierung und/oder der Strahldurchmesser sollten so gewählt werden, dass kein Licht am Lichtleiter vorbeigeht.
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Es werden dabei Eintrittswinkel und die Dezentrierung so gewählt, dass mindestens 10 Reflexionen, bevorzugt mindestens 100 Reflexionen in dem Lichtleiter erfolgen.
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Der schräge und/oder dezentrale Verlauf des Lichtes im Lichtleiter hat den Vorteil, dass der resultierende Lichtstrahl nicht im Zentrum des Lichtleiters verläuft, sondern viel Licht an der Mantelfläche des lichtleitenden Materials totalreflektiert wird, was die Stärke des evaneszenten Feldes vorteilhaft beeinflusst. Für ein möglichst starkes evaneszentes Feld sollte das Licht in einem helikalen Verlauf mit möglichst vielen Reflexionen unmittelbar unterhalb des Winkels der Totalreflexion durch den Lichtleiter verlaufen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der resultierende Lichtstrahl sowohl vom Zentrum verschoben als auch schräg durch den Lichtleiter verläuft, was eine bevorzugte Ausführungsform darstellt. Die Lichtstrahlen sollten insbesondere in einem sehr kurzen Lichtleiter extrem helikal entlang der Wandung verlaufen, damit eine ausreichende Anzahl von Totalreflexion erfolgt. Daraus folgt, dass es bevorzugt ist, dass der Winkel, in dem der resultierende Lichtstrahl im Lichtleiter verläuft, umso näher am Grenzwinkel der Totalreflexion sein sollte, je kürzer der Lichtleiter ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine schräge und/oder dezentrierte Einkopplung mit kleinem Fleckdurchmesser und geringer Strahldivergenz. Dies hat den Vorteil, dass sich eine linienförmige evaneszente Feldverteilung entlang der Lichtleiterachse erzielen lässt. Die Breite der Linie variiert insbesondere mit der Divergenz des eingekoppelten Lichts. Durch eine dezentrierte Einkopplung mit kleinem Fleckdurchmesser und geringer Strahldivergenz lässt sich darüber hinaus ein spiralförmig verteiltes evaneszentes Feld auf der Mantelfläche erzielen. Ein kleiner Fleckdurchmesser ist ein Fleckdurchmesser, der kleiner als der Radius r des Lichtleiters ist, insbesondere < 0,5r, bevorzugt < 0,3r, besonders bevorzugt < 0,1r. Eine geringe Strahldivergenz bedeutet insbesondere, dass der Öffnungswinkel des Strahlkegels < 30°, bevorzugt <10°, besonders bevorzugt < 5° ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels Positionierung eines Spiegels ein Einkoppelwinkel und/oder eine Einkoppelposition des resultierenden Lichtstrahls eingestellt. Der Spiegel ist dabei beweglich, wobei die Bewegung gesteuert werden kann, z.B. mittels einer (elektrischen) Bewegungseinheit, deren Bewegung mittels eines Steuersignals durchgeführt werden kann. Ein solcher Spiegel kann ein Drehspiegel, Kippspiegel oder eine Scannereinheit sein. Der Spiegel kann hierbei selbst zur Einkopplung, z.B. Hohlspiegel oder in Kombination mit einem weiteren optischen Element, z.B. Linse oder Axikon genutzt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Variante ist, dass bei mehreren Wellenlängen oder einem Wellenlängenbereich der optimale Winkel für jede Wellenlänge eingestellt werden kann, da der Grenzwinkel der Totalreflexion auch von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einkopplung von Licht in einen Lichtleiter umfasst eine Koppelstelle zur optischen Verbindung mit einem vorbekannten Lichtleiter und eine Lichtquelle. Das erfindungsgemäße Prinzip benötigt im Grunde lediglich ein Lichtfeld. Dieses muss nicht zwingend von der Vorrichtung selber stammen, sondern kann von außen kommen, z.B. bei einer Umkopplung. Wie vorangehend bereits angedeutet worden ist, muss die Lichtquelle nicht zwingend aktiv Licht erzeugen (was jedoch bevorzugt ist), sondern lediglich Licht liefern, was auch durch einen Lichteinlass (bei externer Beleuchtung) oder einen Lichtleiter (bei einer Umkopplung) erfüllt ist.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung auch eine Fokussieroptik, wie sie bereits oben beschrieben worden ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie so ausgestaltet ist, dass ein durch die Vorrichtung propagierendes Lichtfeld auf eine Weise die Koppelstelle erreicht, dass der resultierende Lichtstrahl des Lichtfeldes nach der Einkopplung in den Lichtleiter unter einem Winkel zwischen 89° und dem Grenzwinkel der Totalreflexion schräg zur Flächennormalen der Grenzfläche des Lichtleiters durch den Lichtleiter propagiert und der resultierende Lichtstrahl bevorzugt relativ zur Längsachse des Lichtleiters dezentriert eingekoppelt wird.
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Ein Lichtleiter muss nicht zwingend Teil der Vorrichtung sein, kann jedoch auch Teil der Vorrichtung sein. Er kann bevorzugt als Austauschelement verwendet werden und die Vorrichtung ist dann so gestaltet, dass sie einen entnehmbaren Lichtleiter umfasst, bzw. zur austauschbaren Entnahme eines Lichtleiters gestaltet ist. Ausgegangen wird hier von einem Lichtleiter, dessen einkoppelseitige Stirnfläche vorbestimmt ist (z.B. parallel zur Flächennormalen der Grenzfläche steht, was bei einer zylindrischen Form der Ausrichtung der Stirnfläche des Zylinders entsprechen würde. Die einkoppelseitige Stirnfläche kann auch geneigt sein, was direkt Auswirkungen auf die Orientierung des einfallenden Lichtfeldes hat, damit die erfindungsgemäße Bedingung erfüllt ist. Wichtig ist nur, dass die Orientierung der Grenzflächen und der einkoppelseitigen Stirnfläche vorbekannt ist, damit die Koppelstelle entsprechend ausgestaltet bzw. ausgerichtet werden kann.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung zwischen Lichtquelle und der Koppelstelle ein optisches Element umfassend ein Axikon und/oder ein Prisma und/oder einen Spiegel (siehe insbesondere oben) und/oder eine Optik zur Variation der Strahldivergenz aufweist, welches so angeordnet ist, dass ein von der Lichtquelle zur Koppelstelle propagierendes Lichtfeld durch das optische Element hindurch propagiert und/oder von diesem abgelenkt wird. Durch ein Axikon kann vorteilhaft der Großteil des Lichts in den größeren Einkoppelwinkelbereich verschoben bzw. die Divergenz des eingekoppelten Lichts vergrößert werden, was ebenfalls zu einer Zunahme des evaneszenten Feldes und dessen Eindringtiefe führt. Durch Verwendung eines Axikons und dezentrierte Einkopplung kann eine weitere Verstärkung des evaneszenten Feldes erreicht werden.
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Durch ein Prisma kann ebenfalls ein steilerer Winkel bei der Totalreflexion und damit eine Verstärkung des evaneszenten Feldes und dessen Eindringtiefe erreicht werden, wobei durch eine Kombination mit einer dezentrierten Einkopplung eine weitere Verstärkung des evaneszenten Feldes erreicht werden kann. Durch Positionierung eines Spiegels vor der Koppelstelle können ebenfalls der Einkoppelwinkel und damit die Stärke und Eindringtiefe des evaneszenten Felds variiert werden (s.o.).
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Bevorzugt weist die Vorrichtung zwischen Lichtquelle und der Koppelstelle einen (zusätzlichen) orthogonal zu dessen Längsachse gewundenen Lichtleiter auf, welcher so angeordnet ist, dass ein von der Lichtquelle zur Koppelstelle propagierendes Lichtfeld durch den gewundenen Lichtleiter propagiert. Die Strahlverteilung im Lichtleiter kann durch eine starke Windung oder Wicklung des Lichtleiters modifiziert werden, was zu einer Erhöhung der Anzahl der Reflexionen und damit einer Verstärkung des evaneszenten Felds führt. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch eine besonders homogene Verteilung des evaneszenten Feldes auf der Mantelfläche erzielt wird.
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Die Umkopplung des Lichts nach Austritt aus dem gewundenen Lichtleiter in einen (kurzen) Lichtleiter ermöglicht insbesondere die auswechselbare Verwendung von günstigen, kurzen Lichtleitern als Einmalartikel und/oder mit unterschiedlicher Funktionalisierung in einem Sensor, beispielsweise mit unterschiedlichen aufgebrachten Fangantikörpern für den Fluoreszenznachweis von Antigenen. Weiterhin lässt sich durch die Art der Einkopplung bei dieser Umkopplung auch die räumliche Verteilung des evaneszenten Feldes auf der Mantelfläche des Lichtleiters variieren.
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Der Lichtleiter muss nicht zwingend Teil der Vorrichtung sein. Er kann z.B. als Austauschelement (z.B. bei einem Sensor) mit der Koppelstelle jeweils verbunden werden. Je nach Anwendungsfall ist aber bevorzugt, dass die Vorrichtung auch einen an der Koppelstelle angeordneten Lichtleiter umfasst, wobei dieser Lichtleiter bevorzugt eine Mantelfläche aufweist, wobei besonders bevorzugt zumindest ein Bereich der Mantelfläche aufgeraut ist. Dadurch kann eine stärkere Streuung des Lichts im Lichtleiter erreicht werden.
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Ein erfindungsgemäßer Lichtleiter weist eine Einkoppelfläche auf, wobei diese Einkoppelfläche so gestaltet ist, dass bei koaxialer Einstrahlung eines resultierenden Lichtstrahls dieser nach der Einkopplung in den Lichtleiter unter einem Winkel zwischen 89° und dem Grenzwinkel der Totalreflexion schräg zur Flächennormalen der Grenzfläche des Lichtleiters, bevorzugt helikal, durch den Lichtleiter propagiert. Ein helikaler Verlauf kann, wie oben bereits beschrieben, dadurch erreicht werden, dass der resultierende Lichtstrahl nach der Einkopplung dezentral zur Längsachse des Lichtleiters verläuft.
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Bevorzugt ist dafür das einkoppelseitige Faserende des Lichtleiters angeschrägt und/oder die Mantelfläche des Lichtleiters aufgeraut. Eine Anschrägung des einkoppelseitigen Faserendes wirkt ähnlich wie eine schräge Einkopplung und führt damit zu einer Erhöhung des evaneszenten Feldes und dessen Eindringtiefe. Relativ zu einer Fläche orthogonal zur Längsachse des Lichtleiters ist der Winkel der Anschrägung bevorzugt größer als 10°, insbesondere > 30°. Bevorzugt ist der Winkel der Anschrägung so gewählt, dass bei einem koaxialen Auftreffen eines resultierenden Lichtstrahls eines Lichtfeldes dieser im Lichtleiter unter einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Winkel durch den Lichtleiter schräg zu dessen Grenzfläche verläuft. Ein genaues Maß anzugeben ist nicht trivial, da die Anschrägung sehr stark vom Brechungsindex des Lichtleiters abhängt.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Messung unter Ausnutzung eines evaneszenten Feldes an einer Grenzfläche eines Lichtleiters umfasst eine Lichtquelle, insbesondere eine Fokussieroptik, und einen Lichtleiter. Dieser Lichtleiter kann dabei austauschbar gestaltet sein, so dass der Sensor mit diesem Lichtleiter nicht zwingend fest verbunden sein muss. Der Sensor ist dabei so ausgestaltet, dass ein von der Lichtquelle ausgesandter resultierender Lichtstrahl auf eine Weise in den Lichtleiter eingekoppelt wird, dass dieser nach der Einkopplung in den Lichtleiter unter einem Winkel zwischen 89° und dem Grenzwinkel der Totalreflexion schräg zur Flächennormalen der Grenzfläche des Lichtleiters, bevorzugt helikal, durch den Lichtleiter propagiert.
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Vorteil der Erfindung ist, dass die dezentrierte Einstrahlung zu einem zunehmend helikalen Strahlverlauf und damit zu einer Verlagerung der Intensitätsverteilung hin zur Mantelfläche des Lichtleiters führt. Geometrisch optisch bedeutet dies eine Zunahme der Anzahl an Totalreflexionen und damit letztendlich eine Verstärkung des evaneszenten Feldes. Durch eine schräge Einkopplung wird der Einstrahlwinkel gemessen zur Normalen der Grenzfläche bei der Totalreflexion kleiner, was ebenfalls zu einer Verstärkung und zu einer Zunahme der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes führt. Durch eine schräge Einkopplung wird auch die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes größer.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
- 1 zeigt eine koaxiale Einstrahlung gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Einkopplung.
- 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Einkopplung.
- 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einem Axikon.
- 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einem Lichtleiter mit abgeschrägtem Faserende.
- 6 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einem Prisma.
- 7 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einem Spiegel.
- 8 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einem gewundenen Lichtleiter.
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In 1 ist eine simulierte Anordnung entsprechend dem Stand der Technik dargestellt, bei der das Lichtfeld 1, beispielsweise ein kollimierter Strahl eines Lasers 5, über eine Linse 2 fokussiert und der resultierende Lichtstrahl 3 des Lichtfeldes koaxial in einen zylindrischen Lichtleiter 4 eingekoppelt wird. Das Lichtfeld wird im Lichtleiter totalreflektiert, „verläuft“ jedoch nicht und es findet keine Verstärkung des evaneszenten Feldes mit dem Verlauf des Lichtfeldes 1 durch den Lichtleiter 4 statt.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine schräge Einkopplung eines Lichtfeldes 1 einen Lichtleiter 4 durch Schrägstellung des Lichtleiters 4 und des resultierenden Lichtstrahls 3 zueinander. Deutlich zu erkennen ist, dass das Lichtfeld 1 im Lichtleiter 4 mit jeder weiteren Totalreflexion weiter auseinander verläuft und damit das evaneszente Feld über die Grenzfläche des Lichtleiters 4 zunehmend stärker wird. Als Grenzfläche können in diesem Beispiel die obere und untere Linie des Lichtleiters 4 angesehen werden, als Winkel derjenige Winkel mit dem der resultierende Lichtstrahl zu dem Lot der Grenzfläche verläuft. Der Lichtleiter hat hier keine Ummantelung, bzw. ist hier eine lichtleitende Faser, die von Luft umgeben ist (oder ggf. auch von Wasser oder als Beispiel für einen Sensor von einem Biofilm).
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3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einer kombinierten schrägen und dezentrierten Einkopplung, was zu einem helikalen Verlauf des Lichtfeldes 1 in dem Lichtleiter 4 führt, wie hier durch gekrümmte Strahlwege im Lichtleiter 4 angedeutet werden soll. Auch hier ist zu erkennen, dass das Lichtfeld 1 im Lichtleiter 4 mit jeder weiteren Totalreflexion weiter verläuft und damit das evaneszente Feld über die Grenzfläche des Lichtleiters 4 zunehmend stärker wird.
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4 zeigt die Umverteilung des Lichts in einen größeren Einkoppelwinkelbereich durch Positionierung eines Axikons 6 im Lichtfeld 1 und die daraus resultierende Licht- und Winkelverteilung im Lichtleiter 4.
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5 zeigt einen Lichtleiter 4 mit einer Anschrägung 7 des einkoppelseitigen Faserendes. Auch wenn Lichtleiter 4 und resultierender Lichtstrahl 3 des Lichtfeldes 1 nicht verkippt zueinander sind (siehe z.B. 1), wirkt die Anschrägung 7 wie eine schräge Einkopplung und führt damit zu einer Erhöhung des evaneszenten Feldes und dessen Eindringtiefe.
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6 zeigt ein zwischen einer Linse 2 als Fokussieroptik und Lichtleiter 4 angeordnetes Prisma 8, welches ebenfalls zu einem steileren Winkel bei der Totalreflexion führt und damit zu einer Verstärkung des evaneszenten Feldes und dessen Eindringtiefe. Auch hier führt die Kombination von Prisma und dezentrierter Einkopplung zu einer weiteren Verstärkung des evaneszenten Feldes.
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7 zeigt eine Vorrichtung mit einem beweglichen Spiegel 9 vor der Einkoppelfläche des Lichtleiters 4 zur Variation des Einkoppelwinkels und damit der Stärke und Eindringtiefe des evaneszenten Feldes. In diesem Beispiel kann der Spiegel 9 in Richtung der Pfeile verkippt werden. Es ist auch möglich, einen Drehspiegel zu verwenden.
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8 zeigt die Einkopplung eines Lichtfeldes 1 in den Lichtleiter 4 mittels eines gewundenen Lichtleiters 10 mit starker Windung, was zu einer Erhöhung der Anzahl der Reflexionen und damit einer Verstärkung des evanseszenten Felds führt. Durch Umkopplung des Lichtfeldes 1 nach Austritt aus dem gewundenen Lichtleiter 10 in den (kurzen) Lichtleiter 4 ermöglicht die auswechselbare Verwendung von günstigen, kurzen Lichtleitern als Einmalartikel und/oder mit unterschiedlicher Funktionalisierung, beispielsweise mit unterschiedlichen aufgebrachten Fangantikörpern für den Fluoreszenznachweis von Antigenen.
