DE19724528A1 - Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter - Google Patents

Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter

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Description

Die Erfindung betrifft ein temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter, das eine verschwindende Temperaturabhängigkeit der Bragg- Wellenlänge aufweist. Bevorzugte Verwendung findet ein Bragg-Gitter nach der Erfindung als Wellenlängen-Normal für Filter oder in Stabilisierungsschaltungen von Lichtquellen. Ebenso läßt es sich darüber hinaus in weiteren Anwendungsgebieten, wie z. B. als temperaturunabhängiger Dehnungssensor einsetzen.
Faseroptische Bragg-Gitter als solche sind bekannt. Sie werden durch seitliche Belichtung einer Lichtleitfaser, vorzugsweise vom Monomode-Typ, und eines dabei erzeugten Streifenmusters mit ultraviolettem Licht eingeschrieben. Das Spektrum in Reflexion besitzt ein relativ schmales Maximum (bis unter 100 pm Halbwertsbreite) bei einer Bragg- Wellenlänge, die der optischen Periodenlänge des erzeugten periodischen Brechzahlprofiles entspricht. Die Bragg-Wellenlänge λB wird ihrerseits von externen Größen beeinflußt, die auf die eingeschriebene optische Periodenlänge einwirken. Diese Größen sind im wesentlichen der Dehnungszustand und die Temperatur der Lichtleitfaser im Gitterbereich. Aus der spektralen Lage des Reflexions-Maximums kann also auf diese Größen geschlossen werden. Entsprechende Anwendungen in der Sensorik und Meßtechnik finden zunehmende Beachtung. Man ist bestrebt, die diskrete Reflexionscharakteristik zu nutzen, um bspw. Laserlichtquellen in der emittierten Wellenlänge zu stabilisieren. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht im Einsatz als spektrales Filter, z. B. zur Kanaltrennung in der optischen Telekommunikationstechnik oder bei Meßaufgaben der optischen Spektroskopie.
Die gleichzeitige Einwirkung von Temperatur und Dehnung auf die Bragg-Wellenlänge erschwert jedoch die präzise Bestimmung und Trennung dieser beiden Meßgrößen. Bei Einsatz als Filter oder zur Wellenlängenstabilisierung muß im allgemeinen die Temperaturabhängigkeit der Filtercharakteristik berücksichtigt werden, die Bragg-Wellenlänge erhöht sich mit zunehmender Temperatur in Standard-Monomodefasern mit einem Temperaturkoeffizienten der Wellenlänge
Die Kompensation des Temperatureinflusses bedarf aufwendiger elektronischer Schaltungen oder des Einsatzes eines zweiten, identischen Bragg-Gitters, das, wenn bspw. Dehnungen gemessen werden sollen, ausschließlich die Temperaturänderung erfährt und dessen Signal zur Kompensation des zweiten Bragg-Gitters verwendet wird, welches sowohl Dehnungs- als auch Temperaturänderungen ausgesetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein faseroptisches Bragg- Gitter anzugeben, das durch wenig aufwendige Maßnahmen den Temperatureinfluß auf die Bragg-Wellenlänge weitgehend unterdrückt, ohne zusätzliche Bragg-Gitter oder zusätzliche elektronische Schaltungen zur Temperaturkompensation zu erfordern. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Präzision von Dehnungsmessungen mit optischen Fasergittern und die Stabilität von spektralen Filtercharakteristiken zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte weitere Ausbildungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.
Das Wesen der Erfindung besteht in einem Aufbau, bei dem eine Lichtleitfaser, die einen Bragg-Gitterbereich beinhaltet, außerhalb dieses Bragg-Gitterbereiches jeweils von einem Röhrchen umfaßt und die Lichtleitfaser in den, dem Bragg-Gitterbereich zugewandten Endbereichen der Röhrchen kraftschlüssig fixiert ist, wobei die Röhrchen ihrerseits von einem zweiten Röhrchen umfaßt und unter Zugspannung zwischen den, dem Bragg-Gitter abseitigen Endbereichen gegen das zweite Röhrchen kraftschlüssig fixiert sind.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform eines temperaturkompen­ sierten faseroptischen Bragg-Gitters und
Fig. 2 eine Verwendungsmöglichkeit eines Bragg-Gitters nach Fig. 1 als Dehnungsmesser.
Fig. 1 zeigt eine Lichtleitfaser 1 mit einem eingeschriebenen zentralen Bragg-Gitterbereich 2. Außerhalb des Gitterbereiches 2 ist die Lichtleitfaser 1 von je einem erstes Röhrchen 4 umfaßt und jeweils in einem Endbereich 41 kraftschlüssig mit diesem verbunden. Im Ausführungsbeispiel wird die Fixierung vermittels zweier Klebestellen 3, bestehend aus einem nicht elastischen, möglichst festen Klebstoff- wie z. B. einem Siloxanharz, realisiert. Auswahlkriterien für diesen Klebstoff sind ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Elastizitätsmodul und Biegefestigkeit im verfestigten Zustand, eine hohe Zugfestigkeit bei geringerer Druckfestigkeit und ein Volumenzuwachs beim Aushärten von < 1 Vol%. Andere Fixierungsmöglichkeiten, insbesondere auch eine verjüngte Ausführung der Röhrchen 4 im Fixierungsbereich 41, liegen im Rahmen der Erfindung.
Die Röhrchen 4 bestehen aus einem Material mit einem deutlich höherem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten TK4 als dem TK1 der Lichtleitfaser 1. Die Lichtleitfaser 1 besteht typischerweise aus Quarzglas mit einem sehr niedrigem TK1 ≈ 0,5.10-6/K.
Ein eventuell auf der Faser befindliches, nicht näher dargestelltes Coating, das eine kraftschlüssige Klebung mit der Faser selbst verhindern würde (z. B. Akrylat-Goating), muß dabei zumindest innerhalb des Bereichs der Klebestelien 3 entfernt sein, so daß dort ein kraftschlüssiger Kontakt zum Quarzglas-Cladding der Lichtleitfaser 1 besteht. An die abseitig des Bragg-Gitters 2 gelegenen Endbereichen der Röhrchen 4 ist die Lichtleitfaser 1 im Beispiel mit einem elastischen Klebstoff 42 mittig zum Röhrchen 4 gehaltert, im übrigen ist sie zwischen dem Fixierungsbereich 41 und dem Klebstoffbereich 42 freischwebend und ohne Kontakt zur Innenwandung des Röhrchens 4 angeordnet.
Diese Anordnung, bestehend aus der in den Röhrchen 4 fixierten Lichtleitfaser 1 ist ihrerseits zentral in einem zweiten Röhrchen 5 angeordnet und vermittels weiterer Fixierungsstellen 6 mit diesem verbunden. Das Röhrchen 5 besteht aus einem Material mit einem deutlich geringeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten TK5 als dem TK4 der Röhrchen 4. Die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Lichtleitfaser 1 und des Röhrchens 5 sind bevorzugt identisch festgelegt.
Die Kompensation von TKλ erfolgt in erfindungsgemäßer Weise durch einen Festlegung definierter Längenverhältnisse zwischen den Fixierungsstellen. Unter der Voraussetzung deutlich unterschiedlicher Werte für TK1, TK4 und TK5 soll für die Längenverhältnisse folgende Bedingung eingehalten sein:
Dabei steht L1 für die Länge der Lichtleitfaser 1 zwischen den Fixierungsstellen 41, L2 für die Fixierungslänge des linksseitigen Röhrchens 4 zwischen den Fixierungsstellen 41 und 51, L3 für die Fixierungslänge des rechtsseitigen Röhrchens 4 zwischen den Fixierungsstellen 41 und 51 und p für einen materialspezifischen photoelastischen Koeffizient des Kerns der Lichtleitfaser 1, der typischerweise ca. 0,22 beträgt. Weitere Voraussetzung für Gültigkeit obiger Bedingung ist, daß die Röhrchen 4 und 5 in einem wesentlich größerem Querschnitt als die Lichtleitfaser 1 ausgeführt sind. Bevorzugt sollte der Mantelquerschnitt der Röhrchen 4 wenigstens ein 20faches des Querschnitts der Lichtleitfaser betragen. Weiterhin ist die Lichtleitfaser 1 mit den an ihr befestigten Röhrchen 4 unter Aufprägung einer definierten Zugkraft F zwischen den Fixierungsstellen 51 in das Röhrchen 5 eingebracht. Mit wachsender Zugspannung nimmt der Temperaturbereich ΔT zu höheren Temperaturen hin zu, innerhalb dessen die Kompensation des TKλ erfolgen kann. Für das angegebene Ausführungsbeispiel ermöglicht bspw. eine Zugkraft F von 1,7 N nach Fixierung der Klebestellen 51 einen Temperaturbereich ΔT = 200K.
Allgemein gilt für die notwendige Zugkraft eine Bedingung:
mit E1 als dem Elastizitätsmodul der Lichtleitfaser 1 und A1 als dem Querschnitt der Lichtleitfaser 1.
In einem speziellen Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements als Wellenlängen-Normal oder temperaturstabiles Wellenlängenfilter ergibt sich bei der Wahl von Borosilikatglas für die Röhrchen 4 mit TK4 = 2,7.10-6 und Quarzglas für das Röhrchen 5 mit TK5 = 0,5.10-6 ein Verhältnis L2/L1 = 1,5 bei gleichzeitiger Wahl von L2 = L3. Praktisch nutzbare Abmessungen bei üblichen Längen des Gitterbereiches 2 um 5. . .10 mm sind L1 = 10mm, L2 = L3 = 15 mm. Der effektive TKλg der Gesamtanordnung ist nach obiger Maßgabe nach der Beziehung (1) damit bereits auf 10% des unkompensierten TKλ des Fasergitters selbst verringerbar.
Da die praktische Dimensionierung der Längen L1, L2 und L3 wegen der endlichen Ausdehnung der Klebestellen 3 und 6 in manchen Anwendungsfällen nicht präzise genug sein wird, ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, einen teilweise geöffneten Bereich 7 an wenigstens einem Ende des Röhrchens 5 vorzusehen, durch den wenigstens eine der Klebestellen 6 durch die zusätzliche nachträgliche Verklebung 61 nach innen verlängert und damit die effektive Länge L2 (bzw. auch L3) bis zu einer Ebene 51' verringert wird. Zu diesem Zweck sind zunächst L2 und L3 um je 1 mm länger ausgefüllt, als es nach der Beziehung (1) vorzusehen ist und nach experimenteller Bestimmung des in der ersten Stufe teilweise kompensierten Temperaturkoeffizienten ist eine entsprechende Korrektur durch die Klebestelle 61 vornehmbar. Auf diese Weise ist eine Kompensation auf 1% des TKλ erreichbar.
Es liegt ausdrücklich im Rahmen der Erfindung, die in den Ausführungsbeispielen durch Klebungen 3, 6 realisierten Fixierungen 41, 51 durch andere Technologien zu ersetzen, wie z. B. Laserschweißen, Aufschrumpfen oder mechanische Klemmungen. Weiterhin soll die Verbindung der Röhrchen 4 zur Lichtleitfaser 1 möglichst axialsymmetrisch ausgeführt sein, um Polarisationsabhängigkeiten der Bragg-Wellenlänge des Gesamtaufbaues zu minimieren und die Bruchgefahr für die Lichtleitfaser 1 zu reduzieren. Die Einbettung der Röhrchen 4 und das Röhrchen 5 sollte ebenso axialsymmetrisch ausgeführt sein.
Ein nach Fig. 1 ausgebildetes temperaturkompensiertes Bragg-Gitter läßt sich als Wellenlängen-Normal oder temperaturstabiles Wellenlängenfilter einsetzen.
Darüber hinaus ist es als temperaturunabhängiger Dehnungssensor verwendbar. Dazu wird das Röhrchen 5, wie in Fig. 2 angedeutet, kraftschlüssig mit einem zu untersuchenden Werkstück 8 verbunden. Das kann durch Befestigung an zwei diskreten Punkten 81, 82, zweckmäßigerweise für höhere Empfindlichkeit nahe den Enden des Röhrchens 5, oder durch vollständige Einbettung des Röhrchens 5, bspw. in einen glasfaserverstärkten Plastikkraftaufnehmer (Gesteinsanker) erfolgen.
Wenn im Rahmen der Erfindung von Röhrchen für die Baugruppen 4; 5 gesprochen wird, stellt die eine besonders bevorzugte Ausführung dar, beschränkt die Erfindung jedoch, insbesondere für das Röhrchen 5, nicht ausschließlich auf Röhrchen mit einem kreisrunden Querschnitt.
Bezugszeichenliste
1
Lichtleitfaser
2
Bragg-Gitter
3
erste (Fixierungs)Klebestellen
4
erste Röhrchen
41
erste Fixierungsstellen
42
elastischer Klebstoffbereich
5
zweites Röhrchen
51
zweite Fixierungsstellen
6
zweite (Fixierungs)Klebestellen
61
nachträgliche Verklebung
7
teilweise geöffneter Bereich
8
Werkstück
81
,
82
Befestigungspunkte des Werkstücks
8
L1
Länge der Lichtleitfaser
1
zwischen den Fixierungsstellen
41
L2
Fixierungslänge des linksseitigen Röhrchens
4
zwischen den Fixierungsstellen
41
und
51
L3
Fixierungslänge des rechtsseitigen Röhrchens
4
zwischen den Fixierungsstellen
41
und
51
F Zugspannung

Claims (12)

1. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter, beinhaltend eine Lichtleitfaser (1), die einen Bereich mit einem eingeschriebenen Bragg-Gitter (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Bragg-Gitterbereiches (2) die Lichtleitfaser (1) jeweils von einem ersten Röhrchen (4) umfaßt und die Lichtleitfaser (1) in Endbereichen (41) der Röhrchen (4) kraftschlüssig fixiert ist, die Röhrchen (4) ihrerseits von einem zweiten Röhrchen (5) umfaßt und unter einer Zugspannung (F) zwischen Endbereichen (51) gegen das zweite Röhrchen (5) kraftschlüssig fixiert sind.
2. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (4) einen deutlich höheren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TK4) als die Lichtleitfaser (1) und das Röhrchen (5) einen deutlich geringeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TK5) als die Röhrchen (4) aufweisen.
3. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Lichtleitfaser (1) und des Röhrchens (5) nahezu identisch festgelegt sind.
4. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelquerschnitt der Röhrchen (4) über ihre überwiegende Länge wenigstens ein 20faches des Faserquerschnitts der Lichtleitfaser (1) beträgt.
5. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnung der einzelnen Baugruppen (1; 4; 5) derart erfolgt, daß eine Beziehung
eingehalten ist, wobei L1 für die Länge der Lichtleitfaser (1) zwischen den ersten Fixierungsstellen (41), L2 für die Fixierungslänge des einen Röhrchens (4) zwischen der ersten Fixierungsstelle (41) und zweiten Fixierungsstelle (51), L3 für die Fixierungslänge des anderen Röhrchens (4) zwischen der ersten Fixierungsstelle (41) und zweiten Fixierungsstelle (51), p für einen materialspezifischen photoelastischen Koeffizient des Kerns der Lichtleitfaser (1), TK4 für den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Röhrchen (4), TK5 für den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Röhrchens (5) und TKλ für den Temperaturkoeffizienten der Bragg-Wellenlänge stehen.
6. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zugkraft (F) größer Null zwischen den Baugruppen (1; 4; 5) entsprechend einer Beziehung
aufrechterhalten ist, wobei E1 für den Elastizitätsmodul der Lichtleitfaser (1), A1 für deren Querschnitt und ΔT für den nutzbaren Temperaturbereich steht.
7. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Fixierungsstelle (51) in ihrer effektiven Angriffslage in eine zweite Stellung (51') überführbar ist.
8. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein teilweise geöffneter Bereich (7) innerhalb des Röhrchens (5) vorgesehen ist, durch welchen eine Justierung der wenigstens einen Fixierungsstelle (51') ermöglicht ist.
9. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Wellenlängennormal verwendet wird.
10. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es als optischer Filter verwendet wird.
11. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es als Stabilisierungsbauelement für faseroptisch ankoppelbare Lichtquellen verwendet wird.
12. Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es als mechanischer Dehnungssensor verwendet wird.
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