DE2527637A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung eines parameters einer transparenten faser - Google Patents

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BLUMBACH · WESER · BERGEN · IxRAIVlER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WiEoBADEN

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Western Electric Company, Incorporated L. S. Catkins 7 New York, N. Y., USA

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Parameters einer

transparenten Paser

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Parameters einer transparenten Paser. Die Erfindung findet Anwendung bei der Bestimmung physikalischer und optischer Eigenschaften von beispielsweise ummantelten oder nicht ummantelten optischen Fibern.

Bei der Herstellung hoch qualitativer optischer Fibern, beispielsweise zur Verwendung in opitschen Nachrichtenübertragungsanlagen, ist es im Grunde obligatorisch, da3 so wichtige Piberparameter wie Kerndurchmesser und Kernkreisförmigkeit, Ummante-

München: Krτ»?.' · "v. Weitete - '-''rieh —_Wi?sb-:;i-"

lungsdicke, Kernbrechungsindex und Ummantelungsbrechungsindex während des Herstellungsprozesses kontinuierlich überwacht werden. Da eine optische Fiber auch relativ zerbrechlich ist, ist es wichtig, daß die zur Messung dieser Parameter verwendeten Methoden die Fiber nicht auf irgendeine Weise beschädigen.

Es ist natürlich wohl bekannt, ein Laserstrahlenbündel zur Messung des Durchmessers eines feinen Metalldrahtes zu verwenden, s. beispielsweise Lasers in Industry von S. S. Charschan, Herausgeber Van Nostrand Reinhold Co., 1973j Seiten 39J5 und folgende. Wie in dieser Veröffentlichung angegeben ist, erzeugt ein auf den Draht gerichtetes Laserstrahlenbündel das Fernfeld-Fraunhofer-Beugungsmuster des Drahtes. Durch Messung des Abstandes zwischen aufeinanderfolgendenMaxima und Minima in dem Beugungsmuster und bei Kenntnis der Wellenlänge des LaserstrahlenbUndels ist es eine relativ einfache Sache, den Durchmesser des Drahtes zu berechnen.

In der US-PS 3 709 610 findet sich die Empfehlung, diese bekannte Methode auch anzuwenden bei der Messung des Durchmessers transparenter, thermoplastischer Fasern wie Rayon, Nylon und Acetat-Garn. Dies ist grundsätzlich richtig, wenn man sich in Erinnerung hält, daß solche Fibern nicht wirklich transparent sind, sondern genauer als durchsichtig beschrieben werden. Während das von einer solchen Faser erzeugte Beugungsmuster komplex ist und Musteranteile umfaßt,die von innerer Brechung durch das Garn herrühren, besteht das Endergebnis im wesentlichen in demselben Beugungsmuster, wie es durch eine undurchlässige Faser erzeugt werden würde, wenn

auch mit verringertem Kontrast. In der Tat offenbart das oben erwähnte Patent mehrere Methoden zur erfolgreichen Peststellung dieses reduzierten Kontrast aufweisenden Beugungsmusters, einschließlich der Methode des Pärbens des Garns, um es lichtundurchlässig zu machen, (s. auch den Artikel von V/. A. Farone und M. Kerker im Journal of the Optical Society of America, Band 56, 1966, Seite 481 ff., und den Artikel von J. L. Lundberg in Journal of Colloid and Interface Science, Band. 29, Nr. 3, März 1969, Seite 565 ff.)

Unglücklicherweise sind die in der oben erwähnten Patentschrift angegebenen Meßmethoden vollständig ungeeignet für die Verwendung bei hoch qualitativen optischen Fibern. Erstens: Da diese Fibern für eine Verwendung in verlustarmen optischen Nachrichtenübertragungsanlagen bestimmt sind, sind sie weitaus transparenter als die durchsichtigen Garne. Somit ist der Anteil, welchen die im Inneren gebrochenen Strahlen zum gesamten Fraunhofer-Muster liefern, beträchtlich größer und kann nicht ignoriert werden. Außerdem wird die Reflexion von der Faser zunehmend bedeutsam und kann ebenfalls nicht ignoriert werden. Aus diesem Grund ist die Grundannahrae bei der oben erwähnten Patentschrift, daß das durch ein durchsichtiges Garn erzeugte komplexe Beugungsmuster so behandelt werden kann, als wäre es ein gewöhnliches Beugungsmuster unkorrekt, wenn sie auf die Messung einer optischen Fiber angewendet wird. Zweitens: Selbst wenn die Messung des Beugungsmusters aufgelöst werden könnte, wäre sie nicht genügend genau, da die optische Fiber einen Durchmesser aufweist, der wenigstens eine

2 5 2 7 c ? 7

Größenordnung kleiner ist. Letztlich, und vielleicht am wichtigsten von allem: eine optische Fiber weist typischerweise einen inneren Kern eines ersten Brechungsindexes und eine dünne äußere Ummantelung eines davon verschiedenen Brechungsindexes auf. Selbst wenn die in der oben erwähnten Patentschrift offenbarten Meßmethoden auf Fiberoptik: angewendet werden könnten, waren, sie nicht dazu in der Lage, die Dicke der Ummantelungsschicht und des Kerns oder deren relative Brechungsindizes zu messen, und bestensfalls könnte lediglich der Gesamtdurchmesser des ummantelten Kabels gemessen werden.

Zur Lösung dieser Probleme wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bestimmung eines Parameters einer transparenten Faser angegeben, bei dem ein Strahlenbündel räumlieh koherenter monochromatischer Strahlung auf eine transparente Faser gerichtet wird, um dadurch ein komplexes Streuungsmuster zu erzeugen, wobei wenigstens ein Teil des Musters von der Faser verursachte Beugungs-, Reflexions- und Brechungsanteile des Strahlenbündels umfaßt und räumlich radial um die Faser verläuft, und das Muster zur Bestimmung des Parameters analysiert wird. Dabei wird die Analyse unter Berücksichtigung eines jeden der genannten Anteile durchgeführt.

Dieser Parameter kann der Durchmesser der Faser sein, und die Analyse kann folgendes umfassen: ein Abzählen der Streifenzahl N in dem Muster über einen Bereich Δ0_β, wobei 0_R ein vorbestimmter Streuungswinkel ist, welcher die Mitte dieses Bereichs

603824/0889

bildet und die Beziehung

o_R + 1/2Δ o_R < o_p

erfüllt, wobei O^ der Streif enabschneidewinkel oder Streif enauslöschwinkel ist und die Gleichung

_± cos Op/2 = 1

erfüllt, wobei m.. der Brechungsindex der Paser ist; und Bestimmen des Durchmessers der Paser aus der solchermaßen gezählten Streifenzahl N gemäß der Beziehung

N = [P(O₁) - P(O₂)J . 1/λ,

wobei bedeuten:

= o_R - 1/2Λ o_R = o_R + 1/2Λ o_R

₁) = 2b (sin 0_±/2 +/m₁2 + 1 - 2In₁ cos 0_±/2)

i = 1 oder 2 b = Fiberradius; m, = Brechungsindex; und λ - Wellenlänge der Strahlung.

Die Paser kann vorwärts bewegt werden und dieser Parameter kann die Änderung A des Radius dieser Faser während deren Vorwärts-

υ ü 9 U 7 U ■/ 0 g S

2527537

bewegung sein, wobei die Paser einen Nennradius b aufweist, und die Analyse kann folgendes umfassen: bei einem vorbestimmten Streuungswinkel 0_R wird, die Streifenzahl N in dem Muster gezählt, welche durch einen Bezugspunkt hindurchgeht, wobei der Streuungswinkel die Beziehung

^βΗ^<θΡ

erfüllt, wobei Q₅₁, der Streifenabschneidewinkel, die Beziehung

m, cos θρ/2 = 1

erfüllt,

wobei Di₁ gleich dem Brechungsindex der Paser ist;

und die Radiusänderung A^ wird gemäß der Beziehung

Λ XN

D = ■

2(sin 0_R/2 +/W₁ ² + 1 - 2m₁ cos ©_R/2) + λ/2 erfüllt, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung ist.

Der Parameter kann der Durchmesser der Paser sein, und die Analyse kann umfassen: eine Bestimmung des Winkels, bei welchem der Anteil, welchen die Beugung des Strahlenbündels zu dem komplexen Streuungsmuster liefert, im wesentlichen auf Null abfällt; und Bestimmung des Durchmessers der Paser durch Vergleichen des so bestimmten Winkels mit dem entsprechenden Winkel für eine Bezugs-

252763^

faser bekannten Durchmessers, wobei die 3ezugsfaser ein Material aufweist, das denselben Brechungsindex wie die zu messende Faser hat.

Der Parameter kann der Grad, der in der Faser vorhandenen Nichtkreisförmigkeit sein, und die Analyse kann umfassen: einen Vergleich desjenigen Teils des Streuungsmusters, welcher innerhalb eines Winkelbereichs A 0_R liegt und seine Mitte bei einem vorbestimmten Streuungswinkel 9-n hat_f mit dem entsprechenden Streuungsmusterteil, welches innerhalb des Winkelbereichs Δ 0_R und in Nachbarschaft des vorbestimmten Streuungswinkels 0_R liegt, um zu bestimmen, ob das Gesamtstreuungsmuster der Faser symmetrisch zur Achse 0=0 ist, wobei der vorbestimmte Streuungswinkel 0_R die Beziehung

erfüllt und der Streifenabschneidewinkel 0-n, der Beziehung

erfüllt, wobei m., der Brechungsindex der Faser ist; und Bestimmung des Grades der Nichtkreisförmigkeit in dieser transparenten Faser durch einen Vergleich des Grades der Streuungsmuster-Nichtsymmetrie mit dem Grad der Muster-Nichtsymmetrie für eine transparente Bezugsfas.er bekannter Nichtkreisförmigkeit.

Der Parameter kann der Brechungsindex der Faser sein, und die Analyse kann umfassen:

eine Bestimmung des Winkels 0, bei welchem die Streifenintensität in dem komplexen Streuungsmuster im wesentlichen auf Null abfällt, wobei 70°<9 < 15O⁰ ist; und

Bestimmung des Brechungsindexes der Faser durch einen Vergleich dieses Winkels mit einem entsprechenden Winkel, der für eine transparente Bezugsfaser bekannten Brechungsindexes bestimmt worden ist.

Die Paser kann eine optische Fiber mit einem inneren transparenten Kern eines ersten Brechungsindexes und einer äußeren transparenten Ummantelungsschicht eties zweiten Brechungsindexes sein, wobei der Streuungswinkel 0_R die Beziehung

^QR -

erfüllt, wobei bedeuten:

Q_n = 2 sin~¹(am₁/b) -

Vr J.

und a = Radius des inneren Kerns,

b = Radius der gesamten Fiber und
m- = Index der Ummantelungssohicht

Vorzugsweise erfüllt der Radius des inneren Kerns die Ungleichung a<b/m,.

Die Faser kann eine ummantelte optische Fiber aufweisen, der Parameter kann der Brechungsindex des Kerns dieser ummantelten Fiber sein, dem Streuungsmuster kann eine Streifenmuster-Intensitätsmodulation überlagert sein und die Analyse kann umfassen:

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252753"

eine Bestimmung der Periode dieser- Modulation über einen Winkelfoereich Ao_R, wobei 0_R ein vorbestimmter Streuungswinkel ist und die Beziehung

⁸R

erfüllt und der Streifenabschneidewinkel 0„ die Beziehung

In₁ cos ©p/2 = 1

erfüllt, wobei m, der Brechungsindex der Ummantelungsschicht dieser Fiber ist;

eine Bestimmung der Differenz zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem Brechungsindex der Ummantelung durch einen Vergleich dieser Periode mit der entsprechenden Modulationsperiode für eine ummantelte optische Bezugsfiber mit derselben Geometrie und mit bekanntem Kernbrechungsindex, und zwei demselben Streuungswinkel j und

eine Bestimmung des Brechungsindexes des Kerns dieser Fiber durch Addieren des bekannten Brechungsindexes m, der Ummantelungsschicht zu dieser Brechungsind.exdifferenz.

Die Faser kann eine ummantelte optische Fiber umfassen, und deren Parameter kann der Brechungsindex der Ummantelungsschicht sein, dem Streuungsmuster kann eine Streifenmuster-Intensitätsmodulation überlagert sein, und die Analyse kann umfassen: eine Bestimmung der Modulationsperiade über einen Winkelbereich Aq_d, wobei Θ_Ώ ein vorbestimmter Streuungswinkel ist, welcher der Beziehung

0_R + 1/2 0_R < Gp

r. ti ;-j η ;? '·. /Ü839

genügt, und Op ist der Streifenabschneidewinkel; Bestimmung der Differenz zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem Brechungsindex der Ummantelung durch Vergleichen dieser Periode mit der entsprechenden Modulationsperiode für eine ummantelte optische Bezugsfiber mit derselben Geometrie und mit bekanntem Ummantelungsbrechungsindex, und zwar bei demselben Streuungswinkel ', und

Bestimmung des Brechungsindexes dieser Ummantelungsschicht d/urch Subtrahieren der Brechungsindexdifferenz vom bekannten Brechungsindex nip des Kerns.

Die Faser kann eine ummantelte optische Fiber umfassen und der Parameter kann der Durchmesser D-, des Kerns sein, wobei die Dicke t der Ummantelung und der Brechungsindex m» der Ummantelung und der Brechungsindex m₂ des Kerns bekannt sind, und dem Streuungsmuster kann eine Streifenmuster-Intensitätsmodulation überlagert sein, uncLdie Analyse kann umfassen; eine Bestimmung der Winkelposition dieser Modulation über einen Winkelbereich Δ Q wobei 9_R ein vorbestimmter Streuungswinkel ist und der Beziehung

O_n + 1/2 0_R < Q„
ti ti Jf

genügt, wobei O₅₁ der Abschneidewinkel ist, welcher die Beziehung

m. cos Op/2 = 1

erfüllt, wobei m₁ der Brechungsindex der Fiberummantelung ist; Bestimmung des Kern-zu-Fiber-Durchmesservernältnisses R durch Vergleichen dieser Position mit der entsprechenden Modulations-

G U a H 2 U I 0 B 3 §

position für eine ummantelte optische Bezugsfiber mit demselben Kern- und demselben Ummantelungsindex, und zwar bei demselben Streuungswinkel; und
Bestimmung des Kerndurchmessers D~ aus der Beziehung

D₀ = 2Rt/(l - R).

Die Paser kann eine ummantelte optische Fiber sein und der Parameter kann die Ummantelungsschichtdicke t sein, wobei der Kerndurchmesser D_c und der Ummantelungs- und der Kernbrechungsindex m. bzw. nip bekannt sind, ferner kann dem Streuungsmuster eine Streifenmuster-Intensitätsmodulation überlagert sein, und die Analyse kann umfassen:

Bestimmung der Winkelposition dieser Modulation über einen Winkelbereich A 0_R, wobei 0_R ein vorbestimmter Streuungswinkel ist und der Beziehung

0_R + 1/2 Q_R < G_p

genügt, wobei der Streif-enabschneidewinkel ö„ der Beziehung

In₁COs θρ/2 = 1

genügt, wobei m, der Brechungsindex der Fiberummantelung ist; Bestimmung des Kern-zu-Fiber-Durchnesserverhältnisses R durch einen Vergleich dieser Position mit der Modulationsposition für eine ummantelte optische Bezugsfiber desselben Kern- und desselben Ummantelungsindexes, und zwar bei demselben Streuungswinkel; und
Bestimmung der Ummantelungsschichtdicke t aus der Beziehung

252763/

- R)/2R.

Diese Faser kann eine ummantelte optische Fiber umfassen und der Parameter kann der Durchmesser b der Fiber sein, wobei die Fiber einen Mittelkern eines Durchmessers a, einen Brechungsindex nu und einen Ummantelungsschicht-Brechungsindex m, aufweist und wobei das Kern-zu-Ummantelungs-Durchmesserverhältnis die Ungleichung

a < b/m₁

erfüllt, und die Analyse kann folgendes umfassen:

bei einem vorbestimmten Streuungswinkel 0_R, der größer als der kritische Winkel O_n ist, wobei O_n die Beziehung

erfüllt, wird die Streifenzahl N gezählt, welche in dem Muster über einen Bereich ^0_R auftritt, dessen Mitte bei dem vorbestimmten Winkel liegt, welcher die Beziehung

0_R + 1/2 0_R ^0_p
erfüllt, wobei der Streifenabschneidewinkel 0_p der Beziehung

genügt;

und der Durchmesser der Fiber wird aus der solchermaßen gezählten Streifenzahl N gemäß der Beziehung

N - F(O₁) - F(O₂) . l/X

GUS824/ö88il·

2527537

bestimmt, wobei bedeuten:

Q₂ = o_R + 1/2 Δo_R;

2b(sin O₁/2 + /r^² + 1 - 2m₁cos θ_±/2);

i = 1 oder 2

b = Fiberradius und

A= Wellenlänge der Strahlung.

Der Parameter kann der Grad der Nichtkreisfö'rmigkeit der Faser sein, und die Analyse kann folgende Schritte umfassen:

a) bei einem vorbestimmten Streuungswinkel 0_R wird die Streifenzahl N₁ gezählt, welche in dem Muster über dem Bereich Ao_R auftritt, dessen Mitte bei dem vorbestimmten Streuungswinkel liegt, welcher die Beziehung

0_{R +} 1/2 0_R < Q_p

erfüllt, wobei der Streifenabschneidewinkel Q„ der Beziehung

In₁ cos Ö_R/2 > 1

erfüllt, wobei rn^. ein Brechungsindex der Faser ist;

b) Schritt a) wird für den Streuungswinkel -0_R wiederholt und die Streifenzanl N„ wird gezählt;

S U y H 2 4 / G 8 8 9

2527537

c) die Differenz zwischen N- und Np wird bestimmt, und d) der Grad der Nichtkreisförmigkeit wird bestimmt durch einen Vergleich dieser Differenz mit der entsprechenden Streifenzahldifferenz für eine Bezugsfaser desselben mittleren Durchmessers und desselben Brechungsindexes.

Die Paser kann eine ummantelte optische Fiber umfassen und der Parameter kann der Durchmesser D_ß der Fiber sein, wobei die Brechungsindizes In₁ und nu von Ummantelung bzw. Kern und der Gesamtdurchmesser der Faser bekannt sind, und dem Streuungsmuster kann eine Streifenraodulation überlagert sein und die Analyse kann umfassen:

eine Abzählung der Streifenzahl in diesem Muster zwischen zwei Bezugswinkeln Θ. und O₂, die beide

O₁ < Q₀ und O₂ < 0_c

erfüllen, wobei der kritische Winkel Q_n der kleinste Winkel ist, bei welchem die Streifenmodulation in diesem Muier beobachtet wird;

Bestimmung des Durchmessers D_c durch Vergleichen der solchermaßen gezählten Streifenzahl mit derjenigen Streifenzahl, welche für

Kern
eine optische Bezugsfiber bekannten/ciurchmessers, desselben Kern-

und desselben Ummantelungsindexes gezählt worden ist.

Die Faser kann eine ummantelte optische Fiber umfassen und der Parameter kann der Brechungsindex m₂ des Fiberkerns sein, wobei der Brechungsindex m, der Ummantelungsschicht, der Gesamtdurch-

^:G U α

messer und der Kerndurchmesser der Fiber bekannt sind, und dem Streuungsmuster kann eine Streifenmodulation überlagert sein, und die Analyse kann umfassen:

ein Abzählen der Streifenzanl, welche in dem Muster zwischen zwei Bezugswinkeln O₁ und. Op vorhanden ist, wobei für diese beiden

_1ο und 0₂< 0_c

gilt und der kritische Winkel 0_C der kleinste Winkel ist, bei welchem die Streifenmodulation in dem Muster beobachtet wirdj und Bestimmung des Brechungsindexes durcn Vergleichen der solchermaßen gezählten StreiferfZahl mit derjenigen Streifenzahl, welche für eine optische Bezugsfiber mit bekanntem Kerndurchmesser, demselben Auße: durchmesser und demselben Kern- und Ummantelungsbrechungsindex gezählt worden ist.

Die Faser kann eine ummantelte optische Fiber bekannten Außendurchmessers, bekannten Kern- und bekannten Ummantelungsabrechnungsindexes sein, und der Parameter kann die Abweichung von der Konzentrizität des Fiberkerns sein, dem Streuungsmuster kann eine Streifenmodulation überlagert sein, und die Analyse kann umfassen: eine Bestimmung von 0, und O₂, den niedrigsten Winkeln, bei welcnen die Modulation in dem Streifenmuster zuerst erscheint, wobei O₁ < 0 < O₂; und

Bestimmung der Abweichung von der Konzentrizität durch Vergleichen von O₁ und O₂ mit entsprechenden Winkeln für eine ummantelte Bezugsziffer bekannten Durchmessers, bekannter Konzentrizität, bekannten Kern- und bekannten Ummantelungsbrechungsindexes.

U U y 8 7 U f 0 S 3 9

-¹⁶- 252-37

Dieses Strahlenbündel kann so angeordnet sein, daß es auf die Faser senkrecht zu deren Längsachse auftrifft, wobei das Strahlenbündel einen elektrischen Feldvektor aufweist, der parallel zu dieser Achse verläuft.

Alternativ dazu kann das Strahlenbündel so angeordnet sein, daß es auf die Faser senkrecht zu deren Längsachse auftrifft, wobei das Strahlenbündel einen quer zu dieser Achse verlaufenden elektrischen Feldvektor aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Parameters einer transparenten Faser eine Quelle zur !Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels koherenter monochromatischer Strahlungsenergie, eine Positioniervorrichtung zur Positionierung der Faser in dem Strahlengang dieses Strahlenbündels, wobei im Betrieb das Auftreffen dieses Strahlenbündels auf die Faser ein rundum die Faser verlaufendes komplexes Streuungsmuster erzeugt, von welchem wenigstens ein Teil von der Faser verursachte Beugungs-, Brechungs- und Reflexionsanteile des Strahlenbündels umfaßt, und eine Bestimmungsvorrichtung zur Bestimmung der Intensität dieser Musters bei ausgewählten, auf den Strahlenbündelweg bezogenen Streuungswinkeln, um dadurch die komplexe Streifenverteilung des Streuungsmusters zu bestimmen.

Die Strahlungsenergiequelle kann einen Laser umfassen. Die Bestimmungsvorrichtung kann ein Spektrometer umfassen.

Γ. U U «7Z./DBB9

2 5 2 7 f. 3 7

Das Spektrometer kann einen Schlitzdetektor einschließen und die Vorrichtung kann außerdem einen Zerhacker umfassen, der im Strahlengang des Strahlenbündels vor dessen Auftreffen auf die Paser angeordnet ist, sowie eine Drehvorrichtung zur Drehung des Spektrometers quer um die Achse der Paser.

Die Bestimmungsvorrichtung kann einen Mitzieh- oder Einfangverstärker einschließen, der einerseits mit dem Schlitzdetektor und andererseits mit dem Zerhacker verbunden ist, sowie eine Steuerschaltung, die an den Ausgang des Mitziehverstärkers angeschlossen ist, eine mit dem Ausgang der Steuerschaltung verbundene Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Spektrometer-Drehvorrichtung,und eine mit dem Ausgang des Mitziehverstärkers verbundene Aufzeichnungsvorrichtung zum Aufzeichnen des verstärkten Ausgangssignals des Schlitzdetektors.

Alternativ dazu kann die Bestimmungsvorrichtung eine lineare Reihe von Fotodetektoren einschließen sowie eine mit dieser Reihe verbundene Abtastvorrichtung zum sequentiellen Abtasten der Ausgangssignale der Fotodetektoren in dieser Reihe.

Die Erfindung wird nun anhand vor AusfUhrungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine typische nicht ummantelte optische Fiber; Fig. 2 ein Flußdiagramm, welches bei der Berechnung des Streuungsmusters der in Fig. 1 gezeigten Fiber verwendbar ist;

f^: u y y ?. u / u 8 8 9

- i8 -

Fig. 3 eine grafische Darstellung, Vielehe die vorausgesagten Resultate von Lundberg mit dem Kernindexvergleich, welcher gleich dem Ummantelungsindex ist, d. h. für eine nicht ummantelte Fiber;

Fig. H eine Querschnittsansicht der in Fig. 1 gezeigten Fiber, welche bei der Ableitung der hier verwendeten mathematischen Beziehungen nützlich ist;

Fig. 5 eine grafische Darstellung, welche die wirklichen und die vorausgesagten Streuungsmuster der Fiber über einen ausgewählten Winkelbereich für eine parallel zur Fiber verlaufende Polarisation vergleicht;

Fig. 6 eine grafische Darstellung, welche zeigt, wie sich der geometrische Abschneidewinkel der Fiber als Funktion des Fiberbrechungsindexes ändert;

Fig. 7 eine grafische Darstellung, die der in Fig. 5 gezeigten gleiCii ist, jedoch für einen anderen Winkelbereich;

Fig. 8 eine grafische Darstellung, welche das Streuungsmuster einer Fiber zeigt, wenn zur Erzeugung dieses Musters senkrecht polarisiertes Licht verwendet wird;

Fig. 9 zeigt das klassische sin -Beugungsmuster einer lichtundurchlässigen Fiber;

Fig. 10 eine grafische Darstellung, welche das Vorwärtsstreuungsmuster einer nicht kreisförmigen, nicht ummantelten Fiber zeigt;

Fig. 11 eine grafische Darstellung, welche das vorausgesagte RUckwärtsstreuungsmuster einer nicht ummantelten Fiber zeigt;

Fig. 12 eine grafische Darstellung, welche das wirkliche Rücken 8 24/0389

~¹⁹~ 2527337

wärtsstreuungsmuster einer nicht ummantelten Fiber zeigt,

nicht
deren Querschnitt/vollständig kreisförmig ist;

Fig. 13 bis 15 grafiscne Darstellungen, welche die vorausgesagten Streuungsmuster für ummantelte optische Fibern mit unterschiedlichem Brechungsindex zeigen, und zwar über drei verschiedene Winkielbereiche;

Fig. l6 eine grafiscne Darstellung, welche die in dem Streuungsmuster vorhandene Streifenzahl als Funktion des Winkels zeigt;

Fig. 17 eine Zeichnung, die derjenigen der Figur gleich ist, jedoch für eine ummantelte Fiber;

Fig. l8 eine grafische Darstellung, die derjenigen der Fig. 16 gleich ist, jedoch für einen anderen Winkelbereich;

Fig. 19 bis 22 grafische Darstellungen, welche die wirklichen und die vorausgesagten Streuungsmuster einer ummantelten Fiber über drei unterschiedliche Winkelbereiche zeigen;

Fig. 2J bis 26 Darstellungen, die denjenigen der Fig. 19 bis 22 gleich sind, jedoch für eine andere vorausgesagte, aber dieselbe wirkliche Fiber;

Fig. 27 eine grafische Darstellung, welche das Streuungsmuster einer ummantelten Fiber für unterschiedliche Brechungsindizes zeigt;

Fig. 23 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Methode; und

Fig. 29 eine andere Ausführungsform der in. Fig. 28 gezeigten Vorrichtung.

Π U H H 7 U / 0 R B 9

Es wird nun Fig. 1 betrachtet. Wenn ein kollimiertes, im Einfachtransversalraoden auftretendes Strahlenbündel einer Strahlungsenergie, beispielsweise ein Laserstrahlenbündel, auf eine transparente Fiber gerichtet wird, und zwar senkrecht zu deren Achse, wird Licht in einer Ebene gestreut, die senkrecht zur Fiberachse liegt. Die Intensität des gestreuten Lichtes als Funktion des von der Ausbreitungsrichtung des ursprünglichen Strahlenbündels ausgemessenen Winkels ist charakteristisch für die Abmessung der Fiber und deren Brechungsindex und im Fall . einer ummantelten Fiber sowohl für den Kerndurchmesser als auch dessen Brechungsindex.

Wie unten gezeigt werden wird, sind Berechnungen durchgeführt worden, um die theoretischen Eigenschaften des gestreuten Lichtes und die Abhängigkeit dieser Eigenschaften von den vier Parametern Kern- und Ummantelungsdurchmesser und -brechungsindizes zu bestimmen. Die Ergebnisse, welche man unter Verwendung präziser Wellentheorie erhalten hat, als auch jene, welche sich aus einer mehr vereinfachten geometrischen Strahlenganganalyse ergeben haben, werden beschrieben. Die Gültigkeit dieser Analyse ist bestätigt worden durch einen Vergleich mit experimentell gemessenen Lichtstreuungsmustern, die bei der Verwendung eines HeNe-Lasers der Wellenlänge 0,63puxa erhalten wordc-n sind. Die solcherart erhaltenen Streuungsmuster können zur Messung kritischer Fiberparameter verwendet werden, wie es ausführlicher unten diskutiert werden wird.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm einer als Beispiel dienenden Faser; die gezeigten Koordinatenachsen werden für die gesamte vorliegende

809824/0889'

2527837

Beschreibung verwendet. Die Achse der Paser verläuft in der z-Richtung, und die einfallende ebene monochromatische Welle, beispielsweise ein HeHe-Laserstrahlenbündel, nat ihre Richtung längs der x-Achse, und zwar in positiv zählender Richtung. Zylinderachsen werden zur Besehreibung des gestreuten Lichtes verwendet, wobei r der Abstand von der z-Aehse der Pasern und 0 der Winkel von der x~ Achse der Paser aus ist. Deshalb gilt für jeden Punkt in der xy-Ebene

χ = r cos 0 und y = r sinO.

Für die vorliegende Erläuterung wird angenommen, daß das einfallende Licht eine konstante Amplitude aufweist, d. h., die Amplitude des Lichtes fällt zum Rand des Feldes hin nicht ab. Die Annahme ist statthaft für typische optische Fibern mit einem Durchmesser von 20OyUm oder weniger und für Laserstrahlen mit einem Durchmesser von typischerweise 2 mm. Für in Vorwärtsrichtung gestreutes Lieht ist also 0=0°, und für in Rückwärtsrichtung gestreutes Licht ist 0 = Io0°. Der Radius des Fiberkerns ist a, und der Kern hat einen Brechungsindex nu; der Radius der gesamten Fiber ist b, wobei die Ummantelungsschicht einen Brechungsindex m, aufweist. Somit hat die Ummantelungsschicht eine Dicke c = (b - a).

Die Lösung von Gleichungen, welche die Streuung elektromagnetischer Wellen durch eine aus nicht absorbierendem Material hergestellte ummantelte optische Fiber beschreiben, ist berichtet worden von M. Kerker und E. Matijevic im Journal of the Optical Society of America, Band 51 (196I) Seite 5o6. Diese Autoren, erweiterten ge-

? U 9 8 ? 4 / 0 R B 9

meinschaftlich die von H. C. VanDerHulst in Light Scattering from Small Particles, John Wiley and Sons, New York (1951), beschriebene Theorie, welche die Streuung von dielektrischen Zylindern (d. h. nicht ummantelten optischen Fibern) umfaßte. Die Lösung erhält man durch Bildung geeigneter Lösungen der skalaren Wellengleichung für drei Bereiche: l) im Fiberkern; 2) in der Ummantelung; und J>) außerhalb der Fiber. Dies wird für jede der beiden Polarisationen getrennt durchgeführt, d.h. für eine Übertragung, die a) parallel zur Faserachse und b) senkrecht zur Faserachse verläuft. Die Lösungen sind unten für den Fall einer Polarisation des elektrischen Feldes gegeben, welche parallel zur Fiberachse verläuft.

OO

(r^b) u = Σ F.
n=-oo

00
(b>r>a) u=U P.

n=—00

00

(r<a) U=U F.

n=-oo"

Dabei bedeuten: u die resultierende Feldamplitude bei r, O; k = 21r/X ,X die Wellenlänge der Strahlung, J_n die Bessel-Funktlon erster Art, H die Hanke1-Funktion zweiter Art und b , B , b ,

p
B komplexe Koeffizienten.

In Gleichung (l) stellt der erste Term die einfallende und der zweite Term die gestreute Welle dar. Bei der einfallenden Welle handelt es sich um eine ebene Welle, die ausgedrückt wird in Form

BO9824/O«89

η=-

PJ_n(kr)

mit

= (-l)Vⁿ⁰ + iwt.

Den komplexen Koeffizienten b findet man durch Anwendung der Randbedingungen, daß mu und m<$u/<i an der Kern/Umrnantelungs- und der Ummantelungs/Luft-Grenzfläche kontinuierlich sein müssen. Dies führt zu einer Gruppe von vier Gleichungen, aus welchen sich der Koeffizient ergibt:

O
O

^Hn' »lV

^Hn< "A'

η ^ml^Jn

n' m_xJ_n(

O O

n'

^m2^Jn'

(5)

H_n(CC₁)

O
O

^Hn< ^ml^Hn

^Hn< ^ml^Hn

n' ^ral^Jn

η ^ml^Jn

O O

n^{v m}2^Jn'

rait Oi₁ = kb und c<₂ = ka.

Die Intensität des gestreuten Lichtes ist gegeben durch den zweiten Term in Gleicnung (l). Da das gestreute Licht in irgend einem Abstand von der Faser beobachtet werden muß, kann der

6Ü9824/Ö889

asymptotische Ausdruck für H (kr) verwendet werden. Die Intensität des gestreuten Lichtes ist somit I

2 _e (-ikr + iwt - 15f) Σ b° e^lnQ I -ffkr ■ n=-oo '

OO

λ ν,ο , ο .7? ,.ο /__Λ 2

^b°0 ^{+ 2}Ll ^b°n

(6)

Gleiche Ergebnisse kann man für das gestreute Licht finden, wenn die einfallende Strahlung senkrecht zur Fiberachse polarisiert ist. Diese Ergebnisse sind, hier jedoch zum Zweck der Kürze nicht angegeben.

Natürlich kann Gleichung (6) manuell gelöst werden. Aber im Hinblick auf die große Anzahl Punkte, die dargestellt werden müssen, um ein brauchbares Streuungsmuster zu erhalten, ist eine manuelle Lösung ermüdend». Demzufolge ist die Verwendung eines Computers vorzuziehen für die Durchführung der wiederholten Berechnungen, die zur Lösung der Gleichung (6) nötig sind.

Fig. 2 zeigt das Flußdiagraram, welches zur Berechnung der Streuungsintensitätaus-Gleichung (6) verwendet wurde. Es sei betont, daß dieses Flußdiagramm keinen Teil der Erfindung bildet. Dies gilt auch für das Computerprogramm, welches zur Ausführung dieses Flußdiagramms geschrieben worden war. Dieses Programm fällt vollständig in den Bereich der Routine und damit in den Rahmen des Fachkönnens irgend-

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2 3 2 / η ό I

eines kompetenten Programmierers.

Beim Lösen der Gleichung (6) auf diese V/eise wurden einige interessante Maßstabsprobleme in Erfahrung gebracht, und diese sollen nun aus Gründen der Vollständigkeit diskutiert werden. In der Praxis tendieren die Terme in Gleichung (ό) dazu, für große Werte von η null zu werden. Man fand, daß zur Erreichung dieses Ergebnisses, welches die Mathematik stark vereinfacht, die Anzahl der Terme η größer als 40 für kleine Fiberdurchmesser und größer als 1.2 m, b2r/A für größere Fiberdurchmesser sein mußten. Dieser Schluß wurde einfach dadurch geprüft, daß der Anteil berecnnet wurde, Vielehen die letzten 10 % der Terme in Gleichung (ό) zum Brechungsmuster beisteuern, und daß dieser Beitrag dann auf einem Wert kleiner als 10 ' gehalten wurde. Die J-Bessei-Funktionen wurden dann unter Verwendung der folgenden Rekursionsformel berechnet:

-30 Für jf J/ wurde ein willkürlich gewählter kleiner Wert von 10 ^

verwendet und -/ wurde ausreichend, groß gemacht, und zwar durch Erprobung und Fehler, bis wiederholbare Ergebnisse erhalten wurden. Für kleine Argumente (a< loo), wurde C zu 2.8 η + 11 gemacht, wie es von Lundberg empfohlen worden ist. Für große a wurdesu zu 1,2 η bestimmt. Nach einer Wiederhiung bis herab zu yJo, wurde die proportionale Konstante γ gefunden aus der Summe:

'■' [I \l H ? L ! 11 R H 9

Jo(oO + 2 Σ Jp_n(⁰O = 1. (8)

p=l ^^p

von
Die Werte/Jo wurden bis zu einem Argument a = 50 dadurch bestätigt, daß sie mit den Resultaten verglichen wurden, welche in Standard-Bessel-Funktions-Tabellen veröffentlicht sind. PUr große Werte von X fand man, daß ^-J während des Wiederholungslaufes sehr große Werte erreichte, welche den Bereich des Computers überschritten. Es war deshalb notwendig, einen Maßstabsfalctor zu verwenden, um die Werte innerhalb des Bereichs zu halten. Es war erforderlich, diesen Maßstabsfaktor auf dem laufenden zu halten, da die Werte von J für große / einen beträchtlichen Beitrag zu den späteren Berechnungen liefern konnten, selbst wenn deren Werte über die Maßen klein waren.

Schließlich wurden die Werte von J in logarithmischer Form in das Hauptprogramm zurückgeführt. Dies wurde als einfachster Weg gefunden, den großen Zahlenbereich zu handhaben. Das Vorzeichen wurde in einer getrennten Funktion geführt.

Die Hankel-Funktion H ist gegeben durch

H_n = J_n - IV (9)

wobei Y die Bessel-Funktion zweiter Art ist. Y_Q wurde berechnet durch die asymptotische Expansion:

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+ cos (ov - Jj-) j (^-) - (-l)(-9)(-2^) + .. \ (10)

Aufeinanderfolgende Werte von Yf wurden berechnet unter Verwendung der Wronski-Beziehung, von welcher berichtet wird, daß sie zu etwas genaueren Ergebnissen führt als man sie bei Verwendung der Aufwärtsrekursion erhält. Diese Beziehung lautet:

^{<x) =} " ^2/cx7r

Ableitungen sowohl für J als auch für Y wurden berechnet mit Hilfe der Gleichung:

C^ (Ot) = C^₁(Ot) -//oc C^(o{). (12)

Wiederum wurden alle diese Werte in logarithmischer Form in das Hauptprogramm zurückgeführt, da Y^ für große { sehr große Werte erreicht.

Die einzelnen Terme der Zähler- urd Nenner-Determinanten wurden ebenfalls in logarithmischer Form- berechnet. Sie wurden dann mit einem üblichen Maßstabsfaktor in Normalform umgewandelt, und die Determinanten wurden berechnet. Nach der letzten Division zum Erhalt von b oder a_n wurde der Maßstabsfaktor entfernt, um den endgültigen Wert zu erhalten. Auf diese V/eise wurden die Koeffizienten berechnet, ohne den Computerbereich zu überschreiten

oder Terrae zu verlieren, welche beträchtlich zum Endwert beitragen, selbst wenn ihre Werte an einem bestimmten Punkt sehr klein waren.

Schließlich wurden die Streuungsfunktionen unter Verwendung von Gleichung (6) berechnet. Es ist interessant zu bemerken, daß die Berechnung von 256 Punkten für eine ummantelte optische Fiber mit einem Durchmesser von lGOjU m an einem IBM 360/50-Computer lediglich ;50 Minuten dauerte, und zwar unter Verwendung doppelter Genauigkeit, was diejenige Zeit reichlich rechtfertigt, welche zum Schreiben des erforderlichen Computerprogramms aufzuwenden ist.

Wenn man. eine beliebige Kernabmessung im Bereich von null bis zur gesamten Fiberabmessung verwendete und den Brechungsindex des Kerns gleich dem Brechungsindex der Ummantelungsschicht machte, ergab das verwendete Programm Resultate für nicht ummantelte Fibern. Diese Beziehung wurde verwendet, um die Gültigkeit und Arbeitsweise des verwendeten Computerprogramms zu prüfen. Wenn beispielsweise die Kernabmessung verändert wird, sollte keine Änderung im Streuungsmuster auftreten. Zweitens können die Ergebnisse eines jeden Computerdurchlaufs mit den von anderen, beispielsweise Lundberg, veröffentlichten verglichen werden.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung von Lundbergs errechneten Ergebnissen für eine nicht ummantelte Fiber zusammen mit vergleichbaren Resultaten von dem verwendeten Programm, welche dieser Darstellung überlagert sind. Diese grafische Darstellung bestätigt, daß das Programm

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für Fiberabmessungen von etwa ^O I'm die korrekten Resultate ergibt. Man fand auch, daß eine Veränderung der Kernabmessung die Resultate überhaupt nicht beeinflußt, vorausgesetzt, daß die Brechungsindizes von Kern und Ummantelung auf demselben Wert gehalten wurden.

Man hat gefunden, daß es in dem in Fig. J5 dargestellten Streuungsmuster zwei verschiedene Bereiche von Bedeutung gibt, und daß diese beiden Bereiche vorteilhaft bei der Durchführung bestimmter, unten zu diskutierender Messungen vorteilhafterweise verwendet werden können.

Wie Fig. 3 zeigt, ändert sich das Streuungsmuster jenseits von etwa 7 hinsichtlich der Intensität in sinusförmiger Weise als Funktion des Streuungswinkels. Die Periode dieser Änderung ist relativ konstant und steht, wie später zu sehen sein wird, in umgekehrter Beziexiung zum Fiberd.urchmesser.

Das Verhalten dieses Streifenmusters kann auf einfache geometrische Weise unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert werden. Wie gezeigt, gibt es zwei Wege, auf welchen Lichtstrahlen in eine Richtung 0 gegenüber der Achse abgelenkt werden können. Ein Weg wird durch Reflexion an der Fiberoberfläche und der andere Weg durch Brechung durch die Fiber gebildet. Die Interferenz zwischen diesen Strahlen, deren Weglängen mit Änderungen des Viertes von 0 variieren, bewirkt das beobachtete Streifenmuster. Die Ableitung der Gleichung, welche die Phasendifferenz J. zwischen den reflektierten und den gebrochenen

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- .50 -

Strahlenbündel!! für eine nicht ummantelte Fiber angibt, ist unten angegeben.

Es wird, wieder Pig. 4 betrachtet. Zeichnet man die Strahlen längs der Wellennormalen in einem Strahlenbündel auf, ist es möglich, den Phasenzustand dieser Welle zu berechnen. Das Ziel besteht deshalb darin, zwei Strahlen nachzuzeichnen, von denen eine durch die Fiber gebrochen und die andere von dieser reflektiert ist, wie es Fig. 4 zeigt. Diese beiden Strahlen verlassen die Fiber beide unter einem Winkel Q und somit besteht im Fernfeld eine Interferenz zwischen den beiden durch diese Strahlen dargestellten Wellen. Diese geometrische Strahlennäherung hat einige Grenzen, von denen hier zwei betrachtet werden müssen. Wie von VanDerHulst angibt, besteht eine Begrenzung darin, daß die Fiber groß im Vergleich zur Lichtwellenlänge sein muß. Die zweite Begrenzung besteht darin, daß, wenn Strahlen zu einem Brennpunkt konvergieren, ein Bereich unendlicher Energie erzeugt wird. Hier bricht die geometrische Anordnung zusammen, da die Wellen in diesem Brennpunktsbereich nicht langer normal zu den geometrischen Strahlen verlaufen. Demzufolge ist eine Regel abgeleitet worden, daß, wenn die Strahlen durch eine Brennlinie wie F in Fig. 4 gelangen, die Phase dieses Strahls um x/2 Winkelgrade erhöht werden muß.

Der Strahleinfallswinkel a ist nach dem Snell' sehen Gesetz für einen bestimmten Streuungswinkel 0 gegeben, durch die Gleichung:

sin α = m sin (ex - 0/2), (I3)

wobei m der Brechungsindex ist .Dies kann umgeschrieben werden in die folgende V/eise, welche für spätere Berechnungen bequemer ist.

m cos ex sin 2

^sincx= m cos § - 1 (14)

Die optische Weglänge des gebrochenen Strahls kann nun berechnet werden und ist gegeben durch p, wobei

ρ = 2 mb cos (<x - θ/2) (15)

ist und b den Fiberradius darstellt. Da dies der Strahl ist, welcher durch eine Brennlinie führt, muß seine Länge um eine Viertelwelle reduziert werden. Deshalb gilt

ρ = 2 mb cos (<x - 0/2) - λ/4 (l6)

wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist. Der optische Weg des zu denselben relativen Positionen reflektierten Strahls ist 2u mit:

u = b cos ac - b sin 0/2 + Λ/2. (17)

Somit ist die optische Wegdifferenz A zwischen dem reflektierten und dem gebrochenen Strahl gegeben durch: Δ = ρ - 2u

os (<x - |) - b cos ο + b sin if

= 2 (m b cos (<x - |0 - b cos ο + b sin |·| + ~ (l8)

= 2b /sin ^- + y^ + 1 - 2m cos

mit η

ra sin ■*
tan et =

(m cos 0-1)
2

*$21,

θ ist dei' Vorwärtsstreuungswinkel, m der Brechungsindex und b der Fiberradius.

Aus Gleichung (l8) ersieht man, daß die Phasendifferenz A proportional ist zu b, dem Fiberradius. Somit ist bei einem gegebenen Streuungswinkel 0 der Streifenabstand über einen kleinen Winkelbereich A.O umgekehrt proportional zum Fiberdurchmesser, so daß die Streifen dichter zusammenrücken, wenn die Fasern dicker werden. Dies bildet die Grundlage für die Messung des Fiberdurchmessers. D.h., bei einem gegebenen Bezugsstreuungswinkel Ö_R wird die Anzahl der Streifen gezählt, welche innerhalb des Winkelbereichs Aö_R, dessen Mitte bei 0_R liegt, auftreten, und dann wird Gleichung (l8) für b gelöst. Natürlich schließt der Ausdruck "Zählen der Zahl der Streifen" das Zählen von Bruchteilen dieser Streifen ein und ist nicht auf eine ganzzahlige Anzahl von Streifen beschränkt.

Winkel a ist nun der Einfallwinkel des gebrochenen Strahls, und dieser weist einen Maximalwert von ir/2 auf und bildet hinsichtlich des Streuungswinkels θ eine obere Grenze für die Gültigkeit dieser Formel. Die Bedingung lautet:

m cos Q/2 > 1 (20)

Für einen Streuungswinkel, der größer als das durch Gleichung (20) gegebene Maximum ist, sollte das Streifenmuster somit verschwinden. Für eine nicht ummantelte Quarzfiber sollte dieser Auslöschwinkel θ_ρ einen Wert von Ow= 93.3° haben; für eine Glas-

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- 23 -

fiber des Brechungsindexes 1,52 gilt Oj, = 97*6°, und für eine Glasfiber des Brechungsindexes 1,62 gilt 0_p = 103,8°. Für Fiberdurchmessermessungen ist es deshalb erforderlich, daß

0_R - l/2 40_R< 0_F.

Fig. 5 zeigt ein experimentell gemessenes Streuungsmuster zusammen mit einem am besten passenden theoretischen Muster, und zwar für den Streuungswinkelbereich von 70° bis 105°, eine nicht ummantelte Quarzglasfiber von 29/^m und bei Verwendung von Licht, das parallel zur Fiberachse polarisiert ist. Die Diskrepanzen zwischen dem theoretischen und dem experimentellen Muster werden später diskutiert werden. Folgendes fällt jedoch auf: Wenn das Streifenmuster auch abklingt, weist es einen allmählichen Abfall ohne eine scharfe Diskontinuität auf und könnte somit nicht zu einer genauen Bestimmung des Brechungsindexes einer Fiber verwendet werden. Fig.· 6 ist eine Darstellung des Auslöschwinkels O₅₁ in Abhängigkeit vom Brechungsindex und zeigt die recht große Änderung des Auslöschwinkels θ mit dem Brechungsindex. Fig. 7 ist ein Streuungsmuster gleich dem in Fig. 5 gezeigten, mit der Ausnahme, daß es für den Streuungsbereich von 35° bis 105° gilt.

Die in den Fig. 5 und 7 gezeigten am besten passenden theoretischen Muster wurden dadurch gefunden, daß die Positionen der Maxima und Minima der Muster über den Bereich von 35° bis IO5⁰ möglichst dicht aneinander angepaßt wurden. Der Intensitätsvergleich ist etwas willkürlich und wurde gleichgemacht bei dem Maximum, welches bei etwa 7^° auftrat. Demzufolge sollten keine absoluten Vergleiche

G U 9 ö 2 £ / Ό 8 8 9

zwischen den Intensitäten vorgenommen werden; nur "Vergleiche zwischen deren Intensitätsänderungen.

Wie bereits erwähnt, wurden zwischen den theoretischen und den experimentellen Mustern in Fig. 5 Diskrepanzen beobachtet. Man nimmt an, daß diese höchstwahrscheinlich durch das für das Experiment verwendete spezielle Quarzglas Pibermuster verursacht worden sind, welches, wie man bei einer späteren Prüfung gefunden hat, einen nicht vollständig kreisförmigen Querschnitt aufwies. Diese unvollständige Kreisförmigkeit bewirkt eine Intensitätsänderung der Maxima und ergibt auch kleine Abweichungen der Streifenposition hinsichtlich des Winkels. Diese Beobachtungen legen eine Methode zur Messung der Fiber-Nichtkreisförmigkeit nahe. Beispielsweise vergleicht man bei den gegebenen Bezugswinkeln +0_R und -0_R die im Winkelbereich Δ 0_R vorhandenen Streifenmuster, und wenn die Fiber nicht kreisförmig ist, sind beide Muster rach rechts (oder links) verschoben. D.h., ein Streifenmuster liegt dichter beim Ursprung (9=0) als es die Theorie voraussagt, während das andere Muster entsprechend weiter weg vom Ursprung liegt. Der Grad der relativen Musterverschiebung ist natürlich proportional zur Fiber-Nichtkreisförmigkeit, und wenn das System mit Fibern bekannter Exzentrizität geeicht ist, kann die Nichtkreisförmigkeit einer unbekannten Fiber leicht ermittelt werden. Für Fibern mit größeren Exzentrizitäten können auch Streifenzählungen auf Jeder Seite der Fiber vorgenommen werden.

Wie erwähnt, stellt Fig. 7 einen Vergleich von Theorie und Experiment für die gestreute Intensität über den V/inkelbereich von

G U a«2A

35° bis 70° für dieselbe Faser dar, die in Pig. 5 verwendet worden ist, lind zwar wiederum für den Fall paralleler Polarisation. Dieselben Diskrepanzen, welche in Fig. 5 zwischen Theorie und Experiment festgestellt worden waren, wurden in Fig. 7 gefunden und beruhen wahrscheinlich ebenfalls auf dem elliptischen, nicht kreisförmigen Fiberquerschnitt. Diese letztere Darstellung zeigt jedoch die kontrastreichen Streifen, welche man erhalten kann. Berechnungen zeigen auch, daß die durch Gleichung (l8) vorausgesagten Positionen der Maxima und Minima über den Winkelbereich von ^7° Ms 0_p.

Fig. 8 zeigt die theoretische Darstellung für den Fall einfallenden Lichtes, das senkrecht zur Fiberachse polarisiert ist. Es sind dieselben Streifen vorhanden; der Kontrast ist jedoch beträchtlich geringer und erreicht bei einem Winkel sogar null. Dieser geringere Streifenkontrast wurde bei den experimentell abgeleiteten Streuungsmustern bestätigt. Wenn auch für jede der hier offenbarten Meßmethoden eine senkrechte Polarisation verwendet werden kann,

parallel verläuft die bevorzugte Polarisation/zur Fibernachse, und zwar aufgrund des geringen Streifenkontrastes, der genaue Messungen schwierig macht.

Für den Bereich 0=0° bis θ = 7° besteht noch ein anderer Effekt, welcher sich den oben diskutierten Interferenz-Effekten überlagert, d. h. die Brechung desjenigen Lichtes, welches nicht durch die Fiber aufgenommen worden ist. V.'äre die Fiber lichtundurch-*· lässig, würde das Brechungsmuster im Fernfeld eine Intensitäts-

verteilung haben, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist. Diese ist natür-

lieh die klassische sin -Verteilung, welche durch Beugung des am Rand des lichtundurchlässigen Gegenstandes übertragenen Lichtes aufgrund der Welleneigenschaften des Lichtes verursacht wird, und diese ist die Grundlage für die in der Einleitung erwähnten bekannten Methoden zur Messung einer lichtundurchlässigen Faser.

Betrachtet man Jedoch eine transparente Fiber sehr nahe bei 0° verschwindet der im vorausgehenden Abschnitt diskutierte Interferenzeffekt. Es ist noch ein gebrochener Strahl vornanden, welcher durch die Fiber hindurchgeht; jedoch im Grenzbereich von 0° existiert kein reflektierter Strahl. Die Folge ist, daß es sich bei dem Streuungsmuster in der Nähe von 0 um die Überlagerung des gebeugten Lichtes und des übertragenen Lichtes handelt, wobei den Phasendifferenzen zwischen beiden genau Rechnung getragen wird. Wenn sich der Winkel von null aus erhöht, beginnt die Interferenz und das resultierende Muster ist die Überlagerung des gebeugten Lichtes und des interferierenden reflektierten und gebrochenen Lichtes. Mit zunehmend größeren Winkeln wird der Anteil von der Beugung reduziert,bis bei etwa 7 lediglich der Interferenzeffekt dominiert. Der Wechsel bei 7° ist nicht konstant sondern ändert sich mit der Abmessung der in Prüfung befindlichen Fiber und erhöht sich mit kleineren Fiberdurchmessern. Man hat . auch gefunden, daß die Interferenzeffekte sowohl vom Durchmesser der Fibern als auch deren Brechungsindex abhängt. Die Beugungseffekte sind jedoch lediglich eine Funktion des Fiberdurchmessers. Ist der Brechungsindex der Fiber bekannt, erhält man somit, wenn man den Winkel

2527 5 37

mißt, bei weichern der Beugungsanteil zum Gesamtmuster verschwindet, und wenn man dann diesen Winkel mit dem entsprechenden Winkel von einer Fiber bekannten Durchmessers vergleicht, noch eine andere Methode zur Messung des Fiberdurchmessers.

Fig. 10 zeigt das gemessene Vorwärtsstreuungsmuster über den Bereich von + 10° bis - 10° für eine typische nicht ummantelte Fiber, beispielsweise eine 40^/ m-Quarzfiber. Man sieht, daß das Muster nicht symmetrisch zur Nullachse ist und daß die Amplituden entsprechender Maxima verschieden sind; diese Wirkung kann man am stärksten bei den niedrigeren Streuungswinkeln feststellen. Wie oben diskutiert, glaubt man, daß diese Wirkung durch die Nichtkreisfö'rmigkeit des Fiberquerschnitts zu erklären ist. Bei der im Experiment zur Erzeugung der Fig. 10 tatsächlich verwendeten Probe wurden Exzentrizitäten bis zu 0,05//. m gemessen. Diese Erscheinung läßt sich damit erklären, daß die gebrochenen Strahlen für die beiden Seiten des Streuungsmusters eine kleine Phasendifferenz aufweisen, welche aufgrund des nichtkreisförmigen Querschnitts eingebracht worden ist. Dies führt zu unterschiedlichen Amplituden in den Keulen des ■Vorwärtswinkels, wo die Interferenz zwischen dem gebrochenen Strahl und dem Beugungsmuster auftritt. Die oben erwähnte Methode zur Messung der Faser-Nichtkreisförmigkeit verwendet recht vorteilhaft die asymmetrische Natur des Streuungsmusters, sie verwendet jejbch nicht direkt die beobachteten Unterschiede bei entsprechenden Streifenmaxima.

Es sei daran erinnert, daß sich die unmittelbar vorausgehende Dis-

D (J 982W088 9

kussion mit einer Streuung im Bereich von 0=0 bis + 10° beschäftigte. Fig. 11 zeigt demgegenüber die theoretische gestreute Intensität (von der Wellentheorie abgeleitet) für eine typische nicht ummantelte Quarzfiber mit einem Durchmesser von 35/ι πι für den Streuungswinkelbereich von l40° bis 175°, d.h. in einer Richtung, welche beinahe zur Quelle zeigt. Man sieht, daß die gestreute Intensität bei etwa 152,5° definitiv abgeschnitten ist, wie es durch die geometrische Strahlspurtheorie für parallele Polarisation vorausgesagt worden ist. Man fand auch, daß dieser Abschneidewinkel lediglich von dem Brechungsindex der Fiber abhängt, was in Übereinstimmung mit der Theorie steht. Man sieht auch, daß oberhalb I5O⁰ eine Art Streifenstruktur vorhanden ist. Dieser ist jedoch auch eine feinere Streifenstruktur überlagert, welche diese Streifen unbestimmt macht. Es ist vorgeschlagen worden, diese Streifen für eine Methode zur Messung des Fiberdurchmessers zu verwenden. Ein Vergleicn dieser Streifen mit den für den Vorwärtswinkel zwischen 10 bis 90 erhaltenen macht Jedoch offensichtlich, daß das Vorwärtsstreuungsmuster leichter zu messen ist, und zu genaueren Resultaten führt.

Fig. 12 zeigt das experimentelle Streuungsmuster, das von einer nicht ummantelten Fiber bei Verwendung paralleler Polarisation erhalten worden ist, und zwar über näherungsweise denselben Siieuungswinkelbereich, wie er in Fig. 11 verwendet worden ist. Der Fiberquerschnitt war jedoch nicht vollständig kreisförmig, und es entstand eine Differenz bis 10$ bei orthogonal gemessenen Durchmessern der Probe. Der Abschneide- oder Auslöscheffekt ist trotz-

G U y α 2Λ / (j 8 % 9

— "39 —

dem recht augenscheinlich; der Abschneidewinkel unterscheidet sich jedoch um etwa 15° von dam in Fig. 11 gezeigten, und zwar aufgrund des nichtkreisförmigen Querschnitts der Fiber. Die oben erwähnte Feinstreifenstruktur ist in bestimmtem Maß vorhanden, obwohl die Amplitude kleiner als durch die Theorie vorausgesagt ist.

Bisher sind lediglich nicht ummantelte Fibern betrachtet worden. Für optische Nachrichtenübertragungszwecke wird jedoch eine ummantelte Fiber bevorzugt, Wie man erwarten würde, kann das von einer ummantelten Fiber erhaltene Vorwärtsstreuungsmuster ebenfalls in zwei interessierende Bereiche unterteilt werden, nämlich (a) 0 bis 7° und. (b) 10 bis etwa 100°. Zuerst werden diese beiden Bereiche diskutiert und endlich der Rückstreuungsbereieh oberhalb etwa 100°.

Die Fig. 13* 14 und 15 zeigen die berechneten Streuungsmuster zwischen 0° bis 35°, 35° bis 70° bzw. 70° bis 105° für eine typische ummantelte Quarzfiber mit einem Außendurehmesser von 43 Der Kerndurchmesser betrug 20./Um und die vier grafischen Darstellungen innerhalb einer jeden Figur stellen verschiedene Kernindizes für einen feststehenden Ummantelungsindex von 1,457 dar. Die unterste grafische Darstellung repräsentiert somit eine nicht ummantelte Fiber, und zwar zu Vergleichszwecken. Die gezeigten Darstellungen gelten für parallele Polarisation des elektrischen Feldvektors, welche die bevorzugte Polarisation ist. Wie man sehen kann, bestent die augenfälligste Wirkung einer Erhöhung des Kern-

G U a ti 7 /, / [] 8 S 9

indexes in der Erzeugung einer Modulation in der Intensität des Streifenmusters. Diese Modulation ist bei einer Indexdifferenz zwischen Kern und Ummantelung von nur 0,001 nicht wahrnehmbar, sie ist aber definitiv vorhanden bei einer Indexdifferenz von 0,01 und recht groß bei der Indexdifferenz 0,1. Ein Merkmal, welches man in den Fig. 1J5, 14 und 15 sehen kann, besteht darin, daß die Periode der Modulation (als Funktion des Streuungswinkels 0) mit dem Unterschied in der Indexdifferenz variiert. Obwohl es nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, haben außerdem weitere Experimente demonstriert, daß die Winkelposition der Modulation mit einer Vergrößerung des Kern-zu-Fiber-Durchmesser-Verhältnisses zunimmt. Diese Beobachtungen führten zu einer Methode, bei welcher die Differenz zwischen den Kern- und den Ummantelungsindizes für eine Fiber bekannter Geometrie gemessen werden könnte, oder als Alternative, wie das Verhältnis des Kern-zu-Fiber-Durehmessers für eine Fiber bekannter Zusammensetzung gemessen werden könnte. Oder, falls gewünscht, könnten beide Messungen gleichzeitig gemacht werden. Im ersten Fall wird bei einem gegebenen Streuungswinkel 0_o die Periodizität und die Winkelposition der Modulation über den Winkelbereich A9_R gemessen, wobei Ö_R + 1/2 A0_R < 9_p ist, dann werden diese Periodizität und diese Winkelposition mit der Periodizität und der Winkelposition bekannter Fibern vergleichbarer Geometrie verglichen, welche bei demselben Streuungswinkel gemessen worden sind. Dies ergibt die numerische Differenz zwischen Kern- und Umraantelungsindizes; wenn einer bekannt ist, kann somit der andere leicht berechnet werden. Wenn andererseits die Indizes von Kern und Ummantelung bekannt sind, nicht jedoch die

- 4l -

Fibergeometrie, kann im wesentlicnen dieselbe Methode verwendet werden, um das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Fiberdurchmesser zu finden. Wenn entweder die Kernabmessung oder der Gesamtfiberdurcnmesser bekannt ist, kann somit die andere Größe berechnet werden.

Eine vielleicnt wichtigere Eigenschaft ist in Fig. 16 gezeigt. Hier sind die Positionen der Streifenminima als Funktion des Winkels aufgezeichnet. Aus Gründen, welche offensichtlich werden, beginnt die Streifenzählung nicht bei 0° sondern bei etwa 80,2°. Was passiert, ist, daß die Position der Streifenminima und die Anzahl der Streifen als Funktion des Winkels, ohne Rücksicht auf Kernindexveränderungen zwischen etwa 40° und So konstant ist. Dieser Effekt kann von der geometrischen Strahlentheorie abgeleitet werden und ist in einer Weise entwickelt worden, die derjenigen gleich ist, auf welcne die Theorie für die nicht ummantelte Fiber entwickelt worden war. Es wird nun Fig. 17 betrachtet. Durch die Anwendung des Snell'sehen Gesetzes erhält man für die Kern-Ummantelungs-Grenzflächen der Fiber folgende Beziehungen zwischen Einfalls- und Brechungswinkel.

sin<* = In₁ sinß (21)

m, sin γ = m₂ sincf (22)

dabei ist rn.. der Brechungsindex der Ummantelung, nu der Brechungsindex des Kerns, und oc, ß , γ undo sind die in Fig. 17 gezeigten Winkel. Zusätzlich existiert folgende Beziehung zwischen den

ü U U W 7 L I ü R B 9

Winlceln «_; β , jf und 6 :

Dabei ist O der Streuungswinkel.

Schließlich besteht auch eine Beziehung zwischen den Winkeln β und γ und dem Kernradius a bzw. Fiberradius b, welche gegen ist durch die Gleichung:

b sinjß = a sin γ. (24)

Die optische Weglänge des Strahls im Kern p₂ ist gegeben durch

P₂ = 2 m₂ a cos S (25)

und die optische Weglänge in der Ummantelung p, ist:

P₁ = 2. m. . (b cos ρ - a cosy). (26)

Somit ist die gesamte optische Weglänge des gebrochenen Strahls gegeben durch die Gleichung:

ρ = 2£m₂ a cos S + m, (b cosj^ - a cos y)J - λ/4 (27) dabei ist noch einmal die p/2-Phasenveröchiebung eingeschlossen worden, da der Strahl durch eine Brennlinie hindurchgeht. Der optische Weg des reflektierten Stranls zur selben relativen Position ist 2u, wobei gilt:

2u = 2(b cos c* - b sin 0/2) + Λ/2. (28)

Somit ist die optische WegdifferenzΔ. zwischen gebrochenem und reflektiertem Strahl* gegeben durch:
Δ = ρ - 2u

= 2[m a cos b + m (b cos/3 - a cos·^) - b cos« +

b sin O/2J +A/4. (29)

Wird 7 größer als 1t/2, verfenlt der Strahl den Kern, und in diesem Fall muß Gleichung (l8) für A. verwendet werden. Die Be-

603824/088$

dingung für ¥< T/2 ist gegeben durch:

b/SUn₁ sin α < 1, (30)

wobei der Wert für a in Gleichung (2) verwendet werden kann, und zwar nur zur Bestimmung der Grenze der Ungleichheit. Als Resultat ergibt sich, daß für kleine Streuungswinkel, wie sie in Pig. gezeigt sind (was auch kleine Einfallswinkel a für den gebrochenen Strahl bedeutet), die Wegdifferenz zwischen gebrochenem und reflektiertem Strahl gegeben ist durch Δ 0 = 2 Fm₂ a cos & + m, (b cos β - a cos f)

- b cosw + b sin 0/2 + A/4. (31)

Dabei ist Λ die Wellenlänge des einfallenden Strahlenbündels. Die Anzahl Streifen zwischen 0., und ©₂ kann dann geschrieben werden als:

N = j> (O₁) - Λ (O₂)J . l/λ O₁ > O₂. . (31a)

Unter dieser Bedingung, d.h. wenn 0 klein ist, passiert der gebrochene Strahl den Kern, und somit ändern Variationen hinsichtlich Kernindex und Durehmesser die Position der Streifen.

Wenn der Streuungswinkel vergrößert wird, kommt man zu einem Winkel, für welchen der gebrochene Strahl nicht langer durch den Kern hindurchgeht, sondern nur durch die Ummantelung. Dieser kritische Winkel 0_c *kann berechnet werden aus der Beziehung:

WaJa₁ sin(x > 1. (32)

Dabei ist « der Fibereinfallswinkel, wie er in Gleichung (2) gegeben ist.

Nach diesem Punkt kann Gleicnung (l8) zur Berechnung der Streifen-

Positionen verwendet werden, und so wird die Streifenposition unabhängig von Kernparametern. Wie man aus Gleichung (^2) sehen kann, existiert dieser weite Winkelbereich,in welchem die Streuungsmuster-Streifenposition unabhängig vom Kernindex (oder der Kernabmessung) ist, lediglich für mittlere und kleine Kerndurchmesser. Tatsächlich muß der Kerndurchmesser a kleiner sein als:

a < b/ΐγ (3.3)

damit dies gilt. Wenn die Fiber beispielsweise einen Index m, = 1,5 aufweist, muß das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Fiberdurchmesser kleiner als 0,67 sein.

Dieses Ergebnis ist sehr wichtig, da es bedeutet, daß für Fibern mit mäßigen Kern/Ummantelungs-Veriiältnissen Messungen der Streuungsmuster-Streifenpositionen bei großen Winkeln (zwischen etwa 50° bis 90°) dazu verwendet werden können, den Gesamtfiberdurchmesser zu erhalten^ und zwar unabhängig vom Fiberkerndurchmesser und -index, vorausgesetzt, daß der Index der Ummantelungsschicht bekannt ist.

Fig. l8 zeigt eine Ausdehnung des unteren Winkelteils der Fig. 16 und stellt detaillierter die Änderung der Streifenposition mit unterschiedlichen Kernindizes dar. Es sei daran erinnert, daß der in Fig. l8 gezeigte Winkelbereich kleiner als der kritische Winkel 0 ist. Diese Darstellungen ändern sich auch bei Veränderungen des Kerndurchmessers. Die Ergebnisse zeigen, daß die an den Streifenpositionen bei niedrigen Beugungswinkeln durchgeführten Messungen entweder den Kerndurchmesser oder den Kernindex finden lassen, wenn man die andere Größe kennt. Diese Meßmethode erscheint am attraktiv-

sten für Kern/Ummantelungs-Indexunterschiede, die größer als 0,01 sind und sie funktioniert bis zu Differenzen von 0,1 oder mehr. Wie Fig. l8 zeigt, ergab eine Quarzfiber mit einem Kern von 20/r m, deren Index um 0,01 größer als derjenige der Ummantelungsschicht war, beim Winkel 10° eine Verscxiiebung um einen Streifen. Demzufolge muß die Messung der Streifenminimumposition mit einer Genauigkeit von weniger als einem Streifen durchgeführt werden, um genaue Kerndurchmessermessungen zu ergeben, was jedoch kein Problem ist. Es sei angenommen, daß der Kerndurchmesser bekannt ist oder mit Hilfe einer der anderen hier offenbarten Verfahren gemessen worden ist, daß aber der Kernindex nicht bekannt ist. Die Anzahl derjenigen Streifen, welche zwischen zwei speziellen Streuungswinkeln θ und 0_o auftreten, wobei sowohl O₁ < O_n als auch 0_o < Q_n

JL c- JL O d.

gilt, wird gemessen. Dann wird der Kernindex aus den Gleichungen (j?l) und(^Ia) berechnet. Wenn andererseits der Kernindex bekannt ist, nicht jedoch der Kerndurchmesser, kann dieser Durchmesser unter Verwendung der Gleichungen (3I) und (31a) bestimmt werden. Alternativ dazu kann jede von beiden Größen dadurch bestimmt werden, daß derjenige Streuungswinkel gefunden wird, welcher einer bestimmten Differenz in der Streifenzahl entspricht, und zwar verglichen mit der nicht ummantelten Fiber, und daß dann der Kerndurchmesser oder die Indexdifferenz aus Gleicnung (51) berechnet wird, wobei

A (Q) = f χ A ,

ist und f gleich der Differenz der Streifenzahl ist.

Wie im Fall der nicnt ummantelten Fiber läßt sich mit der geometriscnen Theorie ein Abschneide- oder Auslöscnwinkel ©„ voraussagen,

j?

^!i U Ί H ? Λ / Π R P₁ §

und dessen Wert kann man erhalten aus Gleichung (20), wenn die Beziehung (33) eingehalten wird, oder er kann auch von Gleichungen (29) und (30) abgeleitet werden. Wie im Fall der nicht ummantelten Fiber besteht kein Abschneid-Scnwellenwert für die in Fig. l6 gezeigten berechneten Muster, und somit kann dies nicht verwendet werden, um den Fiberbrechungsindex genau zu messen.

Es wird nun die Vorwärtsstreuung im Bereich 0 = 0-7° betrachtet, welcher Winkelbereich sehr ähnlich dem für die nicht ummantelte Fiber verwendeten Bereich von 0° bis 7° ist. Das beobachtete Muster stellt die kombinierte Wirkung der Interferenzstreifen von der geometrischen Strahlentheorie und den Beugungseffekten von nicht durch die Fiber aufgenommenem Licht dar. Bei diesen kleinen Winkeln gehen durch die Fiber übertragene Strahlen sowohl durch den Kern als auch die Ummantelung hindurch, und deshalb verändern Änderungen sowohl

der Kern- als auch der Ummantelungsparameter die Phase dieses Strahls und somit die Struktur des Streuungsmusters. Die Fig. 19 bis 22 zeigen die beste Übereinstimmung, die zwischen Theorie und Experiment für eine typische ummantelte Glasfiber emalten worden war. Bei Verwendung eines Bildaufteilenden Okulars wurde ein Außendurchmesser der Fiber von 18,6 + 0,5yum. Bei einer Wellenlänge von 0»633/<Ίη betrug der Kerndex I,6l6 und der Ummantelungsindex 1,518. Der Kerndurchmesser wurde auf etwa 15/^m geschätzt, und zwar unter Verwendung eines abtastenden Elektronenmikroskopes. Für die theoretischen Darstellungen in den Fig. 19 bis 22 wurde eine Fiber angenommen mit einem Durchmesser von l8,25/£m und einem Kerndurchmesser von 13*8 ^m.

G U a ö 2 h 1 ü 8 8

Da der Kerndurchmesser dieser Experimentierprobe so groß war, existiert kein Winkel,bei welchem die Streifen unabhängig vom Kerndurchmesser sind. Fig. 16 zeigt jedoch, daß die Streifen bei größeren Winkeln zuneirimend weniger empfindlich gegenüber dem Kerndurchmesser sind. Deshalb wurde eine Anpassung durch einen "auf null bringenden" Prozeß erhalten, bei welchem zunächst durch Verändern des Fiberdurchmessers eine beste Anpassung bei den größeren Winkeln erreicht wurde. Als nächstes wurde der Kerndurchmesser variiert, um die beste Anpassung zwischen den Mustern kleiner Winkel zu erhalten, und. dieser Prozeß wurde wiederholt, bis die beste Übereinstimmung erreicht war. Es sei bemerkt, daß die dargestellten theoretischen und experimentellen Streuungsintensitäten normalisiert wurden, so daß sie bei dem 13°-Maximum gleich waren, und zwar für eine bequemere Darstellung.

In den Fig. 19 bis 22 stimmt die Modulation der Intensitäten bei den größeren Winkeln, d.h. bei Winkeln größer als etwa 63° nicht besonders gut überein. Durch Ändern des Kerndurchmessers auf 14,3 ^m und des Fiberdurchmessers auf l8,3/C<m wurden die Fig. 23 bis 26 erhalten. Hier wurde eine viel bessere Übereinstimmung der Modulationsintensitäten erhalten; jedoch stimmen die Streifenpositionen nicht so gut überein, speziell bei den kleineren Winkeln. Dies würde einen ungenauen Kerndurchmesser anzuzeigen scheinen. Es ist nicht bekannt, warum unter diesen Umständen nicht eine bessere Anpassung erhalten werden konnte, aber eine vernünftige Erklärung kann in der Existenz kleiner Abweichungen von der Kreisform des Fiberquerschnitts liegen. Auch war nicht bekannt, wie konzentrisch der Kern

η υ η a 21 / o 8 a 9

2527537

bei dieser Experiment!erfiber war. Variationen von lediglich O, im Fiberquerschnitt und 0,5 #ni in der Konzentrizität wurden die beobachteten Variationen ergeben. Es war erforderlich, die Muster auf eine Genauigkeit von 0,1 /cm oder besser für den Fiberdurchmesser und von 0,5//m für den Kerndurchmesser zu berechnen, um eine gute Anpassung zu erhalten. Dies liegt nahe, daß diese Art Genauigkeit durch die unten zu beschreibende Fiberdurchmesser-Meßvorrichtung erhalten wird, welche die Abstände und Positionen der Streuungsmusterstreifen feststellt.

Die Fig. 2J bis 26 zeigen, daß eine vernünftige Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie bei sehr großen Streuungswinkeln besteht, d.h., bei Winkeln, die größer als näherungsweise 170° sind, obwohl diese nicht so gut ist, wie sie bei kleineren Winkeln erhalten wurde. Es gab auch stärkere Änderungen in der Struktur zwischen den theoretischen Darstellungen der Fig. 19 bis 22 und den Fig. 23 bis 26, obwohl die Fig. 19 bis 22 dichter an die experimentellen Daten heranzukommen scheinen.

Fig. 27 zeigt das theoretische Streuungsmuster für dieselbe 43*05 Äm-Fiber, welche bereits früher erwähnt worden ist, jedoch für Streuungswinkel von 145 bis l80° dargestellt. Es wurden dieselben 4 Werte für den Kernindex verwendet, nämlich 1,457, 1,458, 1,467 und 1,557, und zwar bei einem Kerndurchmesser von 20^m. Der Ummantelungsindex betrug 1,457, so daß die untere Kurve für eine nicht ummantelte Fiber gilt. Es wurden Unterschiede in der Struktur der Muster gefunden, obwohl in allen Fällen derselbe Abschneidrand bei einem Winkel

6U982W0889

von 151° auftritt. Es ergaben sich sogar für eine Differenz zwischen dem Kernindex und dem Ummantelungsindex von 0,001 augenfällige Veränderungen, Vielehe zeigen, daiB dieser Teil des Streuungsmusters von 115° bis l80° empfindlicher als bei den kleineren Streuungswinkeln ist. In der Nähe eines l8u Streuungswinkels sind die Änderungen größer als bei Winkeln, die dicht bei I50 liegen.

Fig. 28 zeigt ein Vorrichtungsbeispiel, welches zur Durchführung der Messungen von Streifenposition und -amplitude verwendet werden kann. Wie gezeigt ist, ist die zu inessende Fiber 10 in einem geeigneten Halter 11 befestigt, welcher auf einem Spektrometergestell befestigt ist. Ein drehbarer Tisch 13, der zur Fiber 10 und zum Gestell 12 koaxial ist, trägt ein Spektrometer 16 mit einem Spaltdetektor 17 an einem seiner Enden.

Eine strahlende Energiequelle l8,beispielsweise ein Dauerstrich-HeNe-Laser, richtet ein Licntstrahlenbündel 19 auf die Fiber 10. Das Ausgangssignal des Lasers wird, wie gezeigt, durch einen kreisenden Zerhacker 21 zerhackt.

Ein Synchronmotor 22 treibt ein Rad 23, welches mit dem drehbaren Tisch 13 in Eingriff steht. Eine Steuerschaltung 24 treibt den Motor 22 und empfängt das Ausgangssignal eines Mitzieh- oder Einfangverstärkers 2β, welcher seinerseits das Ausgangssignal des Scnlitzdetektors 17 empfängt und außerdem den Zerhacker 21 treibt. Ein Stiftschreiber 27 oder eine andere geeignete Aufzeichnungsvorrichtung ist ebenfalls mit dem Ausgang des Verstärkers 26 verbunden.

In Betrieb wird der Laser 18 durch die Steuerschaltung 24 mit Energie versorgt und das Spektrometer auf die 0°-Position gedreht. Als nächstes wird der Motor 22 erregt, um den Tisch 1J> langsam zu drehen, so daß der Detektor 17 das gesamte Streuungsmuster sieht, nachdem eine vollständige Drehung (360°) durchgeführt worden ist. Das Ausgangssignal des Detektors 17, welches mit dem Zerhacker 21 synchronisiert ist, wird auf der Aufzeichnungsvorrichtung 27 angezeigt, und die aufgezeichnete Kurve enthält natürlich die Amplituden- und Abstandsinformation, welche erforderlich ist, um die oben beschriebenen Verfahren durchzuführen.

Wenn lediglich ein begrenzter Winkelbereich durchfahren zu werden braucht, kann die Steuerschaltung 24 so voreingestellt werden, daß die Drehung des Tisches IJ bei den gewünschten Winkeln beginnt und aufhört. Bei einem schritthaltenden oder on-line-Prozeß würde der Ausgang des Verstärkers 26 mit einer geeigneten Logikschaltungsanordnung derart verbunden, daßjwenn der zu messende Parameter, beispielsweise der Fiberdurchmesser, irgendeine vorher eingestellte Toleranzgrenze über- oder unterschreitet, eine Rückkopplungsschleife geeignete Änderungen an dem Prozeß vornehmen könnte. Somit könnte der Fiberdurchmesser oder irgendein anderer wichtiger Parameter in einer extrem engen Toleranz gehalten werden. In diesem letzteren

Fall wäre ein rotierendes Spektrometer wahrscheinlich ungeeignet, so daß, wie es in Fig. 29 gezeigt ist, eine kreisförmige Anordnung von fotoelektrischen Vorrichtungen 30, beispielsweise Fotodioden, und ein Abtaster 31 an die Stelle des Spektrometers Ιό, des Motors 22 usw. in Fig. 1 treten würden.

6üa824/Q889

Die bevorzugte Strahlungsenergiequelle ist natürlich ein Laser. Jedoch können auch andere mono criromati sehe, konerente Quellen, wie ein Nadelloch und eine Quecksilberdampflampe, verwendet werden.

6U982W0889

Claims (1)

1. BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH

   ZdZiOJi PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

   Postadresse München: PatentconsuJt 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbeden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

   Patentansprüche

   1. Verfahren zur Bestimmung eines Parameters einer transparenten Paser, bei dem ein Strahlenbündel räumlieh koherenter monochromatischer Strahlung auf eine transparente Paser gerichtet wird, um dadurch ein komplexes Strahlungsmuster zu erzeugen, wobei wenigstens ein Teil des Musters von der Paser verursachte Beugungs-, Reflexions- und Brechungsanteile des Strahlenbündels umfaßt und räumlich radial um die Paser verläuft, und das Muster zur Bestimmung des Parameters analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse unter Berücksichtigung eines jeden der genannten Anteile durchgeführt wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Parameter der Paser durchmesser ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse umfaßt: ä) eine Abzählung der StreifenzeJal N in dem Muster innerhalb eines Bereichs AQ„, wobei 9_R ein vorbestimmter Streuungswinkel ist, die Mitte dieses Bereichs bildet und die Beziehung

   ⁰B. ⁺
   erfüllt, wobei 9„ der Streifenabschneidewinkel ist und die

   München: Kramer · Dr. Weser ■ Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

   811*1824/0889

   Gleichung

   m, cos θρ/2 =

   erfüllt, wobei m. der Brechungsindex der Paser ist; und b) eine Bestimmung des Faserdurciimessers aus der auf diese V/eise gezählten Streifenzaul N entsprechend der Beziehung

   N = I F(O₁) - P(O₂) . l/A, wobei bedeuten:

   ^Θ1 - ⁰R - ¹^⁰R

   = 0_R + 1/2ÄQ_R

   F(O₁) = 2b (sin Q_±/2 + /1^2 + 1 - 2In₁ cos θ_±/2) i = 1 oder 2 b = Fasernradius; nij = Brechungsindex; und. )\ = Strahlungswellenlänge.

   * Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser vorwärts bewegt wird und cer Parameter die Änderung A des Radius der Faser bei deren Vorwärtsbewegung ist, wobei die Faser einen Nennradius b aufweist, und da3 die Analyse folgendes umfa3t:

   a) eine Zählung der Streifenzaal N in dem Muster, welciies durch einen Bezugspunkt hindurchgeht, bei einem vorbestimmten Streuungswinkel 0_Rj welcner die Beziehung

   B U y B 2 4 / 0 8 8 S

   ⁰R < ⁰F

   ⁰F erfüllt, wobei der Streifenabscnneidewinkeü/ die Beziehung

   Hi₁ cos θ_/2 = 1

   erfüllt, wobei Di₁ gleicu dem Brechungsindex der Paser ist,

   b) eine Bestimmung der Radiusänderung Ab gemäß der Beziehung

   XN

   Ab =

   2(sin 0_R/2 + ^m₁ ² + 1 - 2m_]L cos 0_R/2) + λ/2 wobei Λ die Wellenlänge der Strahlung ist.

   4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Parameter um den Paserdurchmesser handelt, dadurch gp kennzeichnet, daß die Analyse folgendes umfaßt:

   a) Bestimmung des Winkels, bei welchem derjenige Anteil, welchen die Beugung des Strahlenbündels zu dem komplexen Streuungsmuster beiträgt, im wesentlichen auf null abfällt, und

   b) Bestimmung des Durchmessers der Paser durch einen Vergleich dieses festgestellten Winkels mit dem entsprechenden Winkel für eine Bezugsfaser bekannten Durchmessers, wobei die Bezugsfaser ein Material mit demselben Brechungsindex wie diese zu messende Paser aufweist.

   5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Parameter um den Grad der in der Faser vorhandenen Nichtkreisförmigkeit

   Buy 824/0889

   handelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse folgendes umfaßt:

   a) einen Vergleich desjenigen Teils des Streuungsmusters, welcher innerhalb eines WinkelbereicnsÄQ_R liegt und als Mittelpunkt einen vorbestimmten Streuungswinkel 0_R aufweist, mit dem entsprechenden Streuungsmusterteil, welener innerhalb des Winkelbereichs Ao_R und in Nachbarschaft des vorbestimmten Streuungswinkels 0_R liegt, um festzustellen, ob das Gesamtstreuungsmuster der Faser symmetrisch zur Achse 0=0 ist, wobei der vorbestimmte Streuungswinkel Q_R der Beziehung

   w_R + L/d aw_R ν w_p

   genügt, und der Streifenabschneidewinkel ©„ die Beziehung

   In₁ cos Oj/2 = 1

   erfüllt, wobei m, der Brechungsindex der Faser ist, und

   b) Bestimmung des Grades der Nichtkreisförmigkeit dieser transparenten Faser durch einen Vergleicn des Grades der Streuungsmuster-Nichtsymmetrie mit dem Grad der Muster-Nichtsymmetrie für eine transparente Bezugsfaser bekannter Nichtkreisförmigkeit.

   6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Parameter um den Brechungsindex der Faser handelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse folgendes umfaßt.:

   a) Bestimmung des Winkels 0, bei welchem die Streifenintensität in dem komplexen Streuungsmuster im wesentlichen auf null abfällt, wobei 70° < 0 < 150° ist, und.

   603824/0889

   b) Bestimmung des Brechungsindexes der Paser durch einen Vergleich des Winkels mit einem entsprechenden Winkel, der für eine transparente Bezugsfaser bekannten Brechungsindexes bestimmt worden ist.

   7« Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Paser um eine optische Fiber handelt, mit einem inneren transparenten Kern eines ersten Brechungsindexes und einer äußeren transparenter Ummantelungsschicht eines zweiten Brechungsindexes, und daß der Streuwinkel ©η die Beziehung

   0_c < 0_R - 1/2 0_R
   erfüllt, wobei

   0_c = 2 sin^Canij/b) - sin""¹(a/b)

   gilt und a = Radius des inneren Kerns, b = Radius der gesamten Fiber und m. =s Index der Ummantelungsschicht.

   8. Verfahren nach Anspruch J., dadurch gekennzeichnet, daß der Radius a des inneren Kerns die Ungleichung a<Cb/m, erfüllt.

   9· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine ummantelte optische Fiber umfaßt, und der Parameter der Brechungsindex des Kerns der ummantelten Fiber ist, wobei dem Streuungsmuster eine Streifenmuster-Intensitäts-

   modulation überlagert ist, und dai3 die Analyse folgendes umfaßt:

   a) eine Bestimmung der Periode dieser Modulation über einen Winkelbereich Δ 0 , wobei G_R ein vorbestimmter Streuungswinkel ist, und die Beziehung

   ⁰R ^<0F
   erfüllt, und der Streifenabschneidewinkel Q_p der Beziehung

   m, cos θρ/2 = 1

   erfüllt, wobei m., der Brechungsindex der Ummantelungsschicht der Fiber ist,

   b) Bestimmung der Differenz zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem Brechungsindex der Ummantelung durch einen Vergleich dieser Periode mit der entsprechenden Modulationsperiode für eine ummantelte optische Bezugsfiber derselben Geometrie und bekannten Kernbrechungsindexes, und zwar bei demselben Streuungswinkel, und

   c) Bestimmung des Brechungsindexes des Kerns der Fiber durch Addieren des bekannten Brechungsindexes m. der Ummantelungsschicht zu dieser Brechungsindexdifferenz.

   10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine ummantelte optische Fiber aufweist und es sich bei dem Parameter um den Brechungsindex der Ummantelungsschicht handelt und dem Streuungsmuster eine Streifenmuster-Intensitätsmod.ulation überlagert ist, und daß die Analyse folgendes umfaßt:

   2 5 2 7 5 3 7

   a) Bestimmung der Periode dieser Modulation über einen Winkel- bereich ΔOp., wobei 9_R ein vorbestimmter Streuungswinkel ist und der Beziehung

   0_R+ 1/2 0_R<r Q_F

   erfüllt und 0„ der Streifenabschneidewinkel ist,

   b) Bestimmung der Differenz zwischen dem Kernbrechungsindex und dem Ummantelungsbrechungsindex durch einen Vergleich dieser Periode mit der entsprechenden Modulationsperiode für eine ummantelte optische Bezugsfiber derselben Geometrie und bekannten Ummantelungsbrechungsindexes, und zwar bei demselben Streuungswinkel, und

   c) Bestimmung des Brechungsindexes der Ummantelungsschicht durch Subtrahieren dieser Brechungsindexdifferenz vom bekannten Brechungsindex m₂ des Kerns.

   11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paser eine ummantelte optische Fiber aufweist, und es sich bei dem Parameter um den Durchmesser D_c des Kerns handelt, wobei die Dicke t der Ummantelung und die Brechungsindizes m₁ und nip von Ummantelung bzw. Kern bekannt sind, und wobei außerdem dem Streuungsmuster eine Streifenmuster-Intensitätsmodulation überlagert ist, und daß die Analyse folgendes umfaßt: a) Bestimmung der Winkelposition dieser Modulation übereinen Winkelbereich ΛQ , wobei 0_R ein vorbestimmter Streuungswinkel ist und der Bezienung

   ⁰R ^{+ 1/2 0}R < ⁰F

   genügt, wobei 6„ der Abschnittwinke^ iat_f welcher der Beziehung

   m cos θρ/2 = 1

   genügt, wobei nu der Brechungsindex der Fiberummantelung ist,

   b) Bestimmung des Kern-zu-Fiber-Durchmesserverhältnisses R durch Vergleichen dieser Position mit der entsprechenden Modulationsposition für eine ummantelte optische Bezugsfiber desselben Kern- und. Ummantelungsindexes, und zwar bei demselben Streuungswinkel, und

   c) Bestimmung des Kerndurcnmessers D« aus der Beziehung

   D_n = 2Rt/(l-R).

   12. Verfahren nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paser eine ummantelte optische Fiber ist, und es sich bei dem Parameter um die Ummantelungsscnichtdicke t handelt, wobei der Kerndurchmesser D_n, der Ummantelungsbrecliungsindex m, und der Kernbrechungsindex m_? bekannt sind, und wobei außerdem dem Streuungmuster eine Streifenmuster-Intensitätsmodulation überlagert ist, und daß die Analyse folgendes umfaßt: .a) Bestimmung der Winkelposition dieser Modulation über einen WinkelbereiciiA 0_R, wobei Ö_R ein vorbestimmter Streuungswinkel ist und die Beziehung

   ⁰R ⁺ i/^{2 g}R ^ ⁰F
   erfüllt, wobei der Streifenabschneidewinkel θ_ρ der Beziehung

   m. cos θρ/2 =1
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   - βο -

   genügt, wobei m.. der Index der Fiberummantelung ist,

   b) Bestimmung des Kern-zu-Fiber-Durchnesservemältnisses R durch Vergleichen dieser Position mit der Modulationsposition für eine ummantelte optische Bezugsfiber desselben Kern- und desselben ömmantelungsindexes, und zwar bei demselben Streuungswinkel, und

   c) Bestimmung der tfmmantelungsschichtdicke t aus der Beziehung

   t = D_c(l - R)/2R.

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine ummantelte optische Fiber aufweist, und es sich bei

   dem Parameter um den Durchmesser/dieser Fiber handelt, wobei die Fiber einen Mittelkern mit Durchmesser a, Brechungsindex nu und eine ümmantelungsschicht des Breehungsindexes nu aufweist, und wobei das Kern-zu-Ummantelungsdurchmesserverhältnis der Ungleichung

   ä < b/m,

   genügt, und daß die Analyse folgendes umfaßt:

   a) bei einem vorbestimmten Streuungswinkel 0_R, der größer als der kritische Winkel Q_n ist, wobei O_n die Beziehung

   am,

   ⁹O

   erfüllt, wird die Streifenzahl N gezählt, welcne in dem Muster über einen Bereich Z\ö„ auftritt, dessen Mitte bei diesem vorbestimmten Winkel liegt, welcher die Beziehung

   erfüllt, wobei der Streifenabschneidewinkel 0„ der Beziehung I₁ cos ö_R/2 > 1

   m.

   genügt, und

   b) der Durchmesser der Fiber wird aus der solchermaßen bestimmten Streifenzahl N bestimmt gemäß der Beziehung:

   N = P(O₁) - P(O₂) . l/A mit O₁ = 0_R - 1/2AQ_r;

   = 0_R + 1/2

   P(O.) = 2b(sin θ./2 + /m, + 1 - 2Hi₁COs θ,/2);

   i = 1 oder 2

   b = Fiberradius und

   X = gleich Strahlungswellenlänge.

   14. Verfahren nach Ansprucii 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich b'ei dem Parameter um den Grad der Ni chtkr ei sf örmigkei t dieser Faser handelt und die Analyse folgende Schritte umfaßt: a) bei einem vorbestimmten Streuungswinkel 0_R wird, die Streifenzahl N₁ gezählt, welche in dem Muster über dem BereichA 0_R auftritt, dessen Mitte bei dem vorbestimmten Streuungswinkel liegt, welcher die Beziehung

   Q₁, -■ l/~ -_; < Q-.,

   erfüllt, wobei der Streifenabschneidewinkel 0„ die Beziehung

   m. cos ö_R/2 > 1

   erfüllt und. In₁ ein Brechungsindex der Paser ist;

   b) Schritt a) wird, für den Streuungswinkel -Q_R wiederholt und die Streifenzahl Np gezählt;

   c) die Differenz zwischen N₁ und Np wird bestimmt, und

   d) der Grad der Nichtkreisförmigkeit wird bestimmt durch Vergleichen der Differenz mit der entsprechenden Streifenzahldifferenz für eine Bezugsfaser desselben mittleren Durchmessers und desselben Brecnungsindexes.

   15· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paser eine ummantelte optische Fiber aufweist und es sich bei dem Parameter um den Durchmesser D~ der Piber handelt, wobei

   Kj -

   die Brechungsindizes m. und m„ der Ummantelung bzw. des Kerns und der Gesamtdurchmesser der Faser bekannt sind, und wobei dem Streuungsmuster eine Streifenmodulation überlagert ist, und daß die Analyse folgendes umfaßt:

   a) Zählen der Streifenzahl in diesem Muster zwischen^ zwei Bezugswinkeln Θ. und Op, wobei die beiden Bedingungen

   Q₁ * O_c und O₂ < 0_c
   gelten und der kritische Winkel 0~ der kleinste Winkel ist,

   Kj

   bei welchem die Streifenmodulation in diesem Muster beobachtet wird, und

   b) Bestimmung des Durchmessers D_n durch Vergleichen der solcher-

   Kj

   maßen gezählten Streifenzahl mit der Streifenzahl, welche für

   €03324/0889

   eine optische Bezugsfiber desselben Kerndurchmessers, desselben Gesamtdurchmessers, desselben Kernbrechungsindexes
   und desselben Ummantelungsbrechungsindexes gezählt worden ist.

   16. "Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ^kennzeichnet, daß die Paser eine ummantelte optische Fiber aufweist, und es sich bei dem
   Parameter um den Brechungsindex m₂ des Fiberkerns handelt, wobei der Brechungsindex m, der Ummantelungsschicht, der Gesamtdurchmesser derFiber und der Kerndurchmesser der Fiber bekannt sind, und wobei dem Streuungsmuster eine Streifenmodulation
   überlagert ist, und daß die Analyse folgendes umfaßt:

   a) Zählen der Streifenzahl, welche in diesem Muster zwischen
   den beiden Bezugswinkeln Q. und. Q^ vorhanden sind, wobei beide Beziehungen

   Q₁ < 0_c und Q₂ < 0_c

   gelten und der kritische Winkel Q_n der kleinste Winkel ist,
   bei welchem die Streifenmodulation in diesem Muster beobachtet wird, und

   b) Bestimmung des Brechungsindexes durch Vergleichen der auf
   diese Weise gezählten Streifenzahl mit derjenigen Streifenzahl, welche für eine optische Bezugsfiber mit bekanntem Kerndurchmesser, demselben Außendurchmesser, demselben Kernbreehungsindex und demselben Ummantelungsbrechungsindex gezählt worden
   ist.

   17· Verfahren nac^ Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine ummantelte optische Fiber bekannten Außendurchmessers, bekannten Kernbrechungsindexes und bekannten Ummantelungsbrechungsindexes ist und es sich bei dem Parameter um die Abweichung von der Konzentrizität des Fiberkerns handelt, wobei dem Streuungsmuster eine Streifenmodulation überlagert ist, und daß die Analyse folgendes umfaßt:

   a) Bestimmung von 0, und θρ, den kleinsten Winkeln bei welchen diese Modulation zuerst in dem Streifenmuster erscheint, wobei Q₁ /^ 0 < Og-ist; und.

   b) Bestimmung der Abweichung und der Konzentrizität durch Vergleichen von Q, und θρ mit entsprechenden Winkeln für eine ummantelte Bezugsfiber, von welcher der Durchmesser, die Konzentrizität, der Kernbrechungsindex und der Ummantelungsbrechungsindex bekannt sind.

   l8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel so angeordnet wird, daß es auf die Faser senkrecht zu deren Längsachse auftrifft, und daß ein Strahlenbündel verwendet wird, dessen elektrischer Feldvektor parallel zu dieser Achse verläuft.

   19· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17* dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel so angeordnet wird, daß es auf die Faser senkrecht zu deren Längsachse auftrifft, und daß ein Strahlenbündel verwendet wird, dessen elektrischer Feldvektor transversal zu dieser Achse verläuft.

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   20. Vorricntung zur Bestimmung eines Parameters einer transparenten Faser, gekennzeichnet durch

   eine Quelle (19) zur Erzeugung eines Strahlenbündels koherenter monochromatischer Strahlungsenergie,

   eine Positioniereinricntung (ll) zur Positionierung der Faser in dem Weg dieses Stranlenbündels, wobei das Auftreffen dieses Strahlenbündels während des Betriebes auf diese Faser radial um diese ein komplexes Streuungsmuster erzeugt, von dem wenigstens ein Teil von der Faser verursachte Beugungs-, Brecliungs- und Reflexionsanteile des Strahlenbündels einschließt, und eine Bestimmungsvorrichtung (Ιό, 17, 26, 27) zur Bestimmung der Intensität dieses Musters bei ausgewählten Streuungswinkeln bezüglich des Straiilenbundelvieges, wodurch die komplexe Streifenverteilung dieses Streuungsmusters bestimmt wird.

   21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeicnnet, daß die Straiilungsenergiequelle (19) einen Laser aufweist.

   22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsvorrichtung ein Spektrometer (16) aufweist.

   2J. Vorrichtung nach_Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer einen Scnlitzdetektor (17) umfaßt, daß im Strahlengang des Strahlenbündels vor dessen Auftreffen auf die Faser ein Zerhacker (21) angeordnet ist, und daß eine Drehvorrichtung (22) zur Drehung des quer zur Faserachse gerichteten Spektrometers um diese Achse vorgeseher, ist.

   24. Vorrichtung naca Anspruch 2j5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsvorrichtung einen Mitziehverstärker (26) umfaßt, der einerseits mit dem Ausgang des Schlitzdetektors (17) und andererseits mit dem Zerhacker (21) verbunden ist, sowie eine Steuerschaltung (24), die an dem Ausgang des Mitziehverstärkers angeschlossen ist, eine mit dem Ausgang der Steuerschaltung verbundene Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Spektrometerdrehvorrichtung, und eine mit dem Ausgang des Mitziehverstärkers verbundene Aufzeichnungsvorrichtung (27) zur Aufzeichnung des verstärkten Ausgangssignals des Schlitzdetektors.

   25. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeicnnet, daß die Bestimmungsvorricntung eine lineare Reihe von Fotodetektoren (30) umfaßt, sowie eine mit dieser Reihe verbundene Abtastvorrichtung (Jl) ^zur sequentiellen Abtastung der Ausgangssignale der Fotodetektoren in dieser Reihe.

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