DE2533227A1

DE2533227A1 - Verfahren und einrichtung zur messung der laenge oder des brechungsindexes eines dielektrikums zur uebertragung optischer frequenzen

Info

Publication number: DE2533227A1
Application number: DE19752533227
Authority: DE
Inventors: Remy Bouillie
Original assignee: BOUILLIE
Current assignee: BOUILLIE
Priority date: 1974-07-26
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1976-02-19
Also published as: FR2280068A1; JPS5119548A; FR2280068B1

Description

Anmelder: Remy BOUILLIE, Lannion, und

Gerard BEATJVILLAIN, Lannion (Frankreich)

Verfahren und Einrichtung zur Messung der Länge oder des Brechungsindexes eines Dielektrikums zur Übertragung

optischer Frequenzen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Länge oder des Brechungsindexes eines Dielektrikums zur Übertragung optischer Frequenzen.

Es ist bekannt, daß die Entwicklung dielektrischer Elemente mit sehr niedriger Dämpfung im Bereich optischer Wellenlängen die Verwendung dieser Elemente in Systemen zur Lichtübertragung über mehr oder weniger große Entfernungen ermöglicht hat. In solchen Systemen erfordern die Anwendungsbedingungen dieser dielektrischen Elemente einen Schutz oder Bezug wie bei Kabeln. Aus verschiedenen Gründen (Verseilung, Anwendung, usw...) muß man bestimmte Parameter eines dielektrischen Elementes kennen, insbesondere seine Länge und seinen Brechungsindex.

Das zu messende dielektrische Element besteht aus einer optischen Faser, d.h. aus einem Element, bestehend aus

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Brief vom R'att if Dipl.-Ing. G. Schliebs

^an das deutsche Patentamt;, München Patentanwalt

einem oder mehreren Dielektrika, wie Glas, Silizium, Kunststoff usw., auf jeden Pail aus einem Werkstoff, der eine Licht über tragung ermöglicht.'

Diese optische Faser kann zu einem Leiter gehören, welcher aus einer oder mehreren Fasern besteht, die dasselbe Signal parallel übertragen, insbesondere zu einem aus einem oder mehreren Leitern bestehenden Kabelstück, oder zu einem aus einem oder mehreren Kabelstücken bestehenden kompletten Kabel.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Messung der Entfernung bekannt, welche aus einem Lichtimpulslaser besteht, dessen Impulse von einem Reflektor reflektiert werden, dann zu einem Fotomultiplier und zu einem Oszillographen und über einen zweiten Weg zu einer fotoelektrischen Zelle und zu dem Oszillographen übertragen werden. Bei dieser Ausführung findet die Übertragung der Lichtimpulse in der Luft statt, während bei der Erfindung, wie es noch beschrieben werden wird, die Übertragung der Impulse in einem lichtbrechend en Medium mit dem Brechungsindex η stattfindet. Es ist evident, daß die bekannte Vorrichtung die Messung eines Brechungsindexes nicht erlaubt.

Es ist ferner bekannt, wie man die auf einen Zylinder eines preßbaren Mediums ausgeübte Belastung oder Kraft durch Messung der Änderung der ZyIinderlange, die von dieser Kraft herrührt, mit Hilfe elektrischer Impulse bestimmt, die auf einen den Boden des Zylinders bildenden Kristall gesendet und in dem Medium in akustische Impulse verwandelt werden. Die Übertragung akustischer Wellen in einem Medium gehorcht jedoch anderen Gesetzen als die in der Erfindung benutzten Lichtwellen.

Um das gestellte Problem zu lösen, schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, das hauptsächlich darin besteht,

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„, η £ Dipl.-lng. G. Schliebs

Brief vom ^Bolt ' _ , , ,,

das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

mindestens eine Messung der Laufzeit Ct^-t ) eines Idchtimpulses auf der länge L des zu messenden Elements mit dem Brechungsindex η zu machen und die Formel

anzuwenden, um entweder den Wert von η oder von L auszurechnen, wenn der andere V.ert schon bekannt ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Die Erfindung schlägt ferner zur Durchführung dieses Verfahrens eine Einrichtung vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus einer Quelle von kurzen Lichtimpulsen als optisches Signal, aus einem Strahlungselement zur Einstrahlung dieses optischen Signals in das zu messende Element, aus einem Trennelement, welches das optische Signal aufteilt in ein erstes Signal, das eine erste Strecke durchläuft, und in ein zweites Signal, das eine zweite Strecke durchläuft, einem Halter für das zu messende Element derart, daß dieses in der zweiten Strecke liegt, aus zwei Detektoren, welche das erste und zweite optische Signal an ihren jeweiligen Austrittsstellen aus der ersten und zweiten Strecke nachweisen, und aus einem Betrachtungsgerät zur Beobachtung der von den Detektoren gelieferten elektrischen Signale auf einem einzigen Bildschirm zur Messung der Laufzeit besteht.

Die Erfindung wird im folgenden an einigen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläuterte Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Meßausrüstung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer besonderen Ausführung der Meßausrüstung;

Fig. 5A Zeitdiagramme zur Darstellung der beiden Meß- und 3B methoden.

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Brief vom B'att 4 Dipl.-Ing. G. Schlieb«

^an das Beutseh.© Patentamt, München Patentanwalt

Es sei ein Element der Länge L und mit dem Brechungsindex η zu messen* Wenn dieses Element an einem Ende einen Lichtimpuls zum Zeitpunkt t erhält, wird dieser Impuls zum Zeitpunkt t.j am anderen Ende ankommen derart, daß:

t-j-t = nL/c ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.

Mittels der durch Messung oder durch Angabe bekannten Werte von η unö c ermöglicht die Messung von (t-j-t ), den Wert L auszurechnen mit:

L = cCt-j-t^/n.

Mittels der durch Messung oder durch Angabe bekannten Werte von L und c ermöglicht die Messung von (t-j-t ), den Wert η auszurechnen mit:

η = c(t.,-t_o)A

Um den Zeitabstand (t-j-t ) zu messen, benutzt man die Meßausrüstung nach Pig. 1 ,

- Eine Quelle 101 sendet Lichtimpulse, die kurz genug sind, d.h. von einer Dauer, die viel kleiner ist als der zu messende Wert (t.j-t ), um ein Lichtsignal S zu bilden. Die Wiederholungsfrequenz dieser Impulse kann beliebig fest oder veränderlich gewählt werden. Die Quelle 101 ist nach Belieben entweder ein Gas- oder Festkörperlaser, eine Zelle zur Speicherung aufweisend, oder eine Elektrolumineszenzdiode, oder eine Elektrolumineszenz-Diode mit Laserwirkung (Laserdiode). Es ist natürlich ratsam, die Wellenlänge der Quelle in einem Bereich zu wählen, in dem das zu meeeende Element ein Dämpiungsminimum besitzt.

- Ein Strahlungselement 105 ermöglicht die Fokussierung des Lichtes am Eingang des zu messenden Elementes E. Es kann

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Brief vom Van 5 Dipl.-Ing. G. Sdiliebs

das Deutsche Pate/itaiüt», München Patentanwalt

nach Belieben eine einfache Linse, ein Linsensystem wie ein Mikroskopobjektiv, eine Linse mit einem Brechungsgradienten oder ein anderes System sein, mit dem man die Lichtimpulse in das Element einstrahlen kann.

- Ein Trennelement 105 ermöglicht die Teilung des von dem Element 103 ausgehenden Lichtsignals S in zwei Signale S., Sp, die nachzuweisen sind, und zwar S₁ direkt, Sp nach seinem Durchlauf durch das zu messende Element E. Das Element 105 ist auf einigen seiner Seiten zweckmäßig mit antireflektierenden Schichten belegt, um Nebenreflektionen zu vermeiden.

- Ein Halter 107 gestattet die Befestigung des zu messenden Elementes E im Brennpunkt des Strahlungseiernentes IO3. Dieser Halter ist so gebaut, daß er sich leicht an jede Öffnung eines Elementes anpassen läßt.

- Zwei Detektoren 111, 112 verwandeln die ankommenden Lichtsignale S₁, Sp in elektrische Signale S₁', bzw. S₂ ¹. Diese Detektoren können jeder eine Kaskadediode, ein Fotomultiplier oder irgendein anderes Detektorelement sein. Die beiden Detektoren sind nicht unbedingt gleichartig, aber natürlich mit der Bedingung, daß sie gleichartige ZextCharakteristiken (beispielsweise Durchgangs- und Abklingzeit) besitzen, um die Genauigkeit der Messung nicht zu stören. Es ist aber anzumerken, daß der Detektor 111 nicht unbedingt notwendig ist; in der Tat ist es möglich, jedes elektrische Signal, das mit der optischen Ausstrahlung synchron ist (z.B. ein Generator zur Erzeugung elektrischer Steuerungsimpulse), als Element 111 zu benutzen; in diesem Pail ist dann auch das Brennelement 105 überflüssig.

- Ein Betrachtungsgerät 113 gestattet für die Messung die Beobachtung der Signals ^-i '» S₂' auf ein und demselben Bildschirm.

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Brief vom Blatt 6 Dipl.-Ing. G. Schliebs

^an das Deutsche Pateiiaaiuü, München Patentanwalt

- Die Bauteile 103, 105, 107 und 111 können einen einzigen versiegelten und mechanisch, standfesten Block bilden.

Im folgenden wird ein Zahlenbeispiel gegeben (Fig. 2).

Es wird angenommen, daß die zu messenden Elemente ein Dämpfungsminimum zwischen 8000 und 9000 A Yfellenlänge haben; infolgedessen wird als lichtimpulsquelle eine in diesem Wellenlängenbereich emittierende Laserdiode gewählt.

Die Einrichtungsteile sind folgende:

- Die Quelle der Lichtimpulse ist eine Laserdiode 101, die Lichtimpulse mit einer Dauer von 5 Nanosekunden bei einer Leistungsspitze von einigen hunder Milliwatt emittiert.

- Vor der Laserdiode 101 befinden sich ein Generator 97 elektrischer Impulse von 0 - 5 V mit in einem breiten Bereich (von einigen Hz bis zu einigen hundert MHz) verstellbarer und einstellbarer Frequenz, und ein Stromverstärker 99, welcher einen einstellbaren ütrom von mehreren Ampere, mit dem man jede Art von Laserdioden anregen kann, erzeugt.

- Das Strahlelement 103 ist ein Mikroskopobjektiv mit einer Vergrößerung 1:10.

- Das Trennelement 105 ist ein gegen Reflexion behandelter Lummerwürfel.

- Der Halter 107 gestattet die Einstellung und Orientierung des zu messenden Elementes.

- Die Detektoren 111, 112 sind zwei gleichartige Kaskadedioden und haben infolgedessen gleiche Durchlaufzeiten und Geschwindigkeiten. Sie sind beide mit 50 0hm belastet.

- Das Betrachtungsgerät 113 ist ein Leuchtschirm.

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Brief vom 3'att ff Dipl.-Ing. G. SdiNebs

an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

Zwei Verfahren können zur Messung verwendet werden.

Bei dem ersten Verfahren (Pig. 3A) wird auf dem Bildschirm der Zeitabstand ("fc-i-"b_o) direkt abgelesen.

Bei dem zweiten Verfahren (Fig. 3B) wird eine Lichtimpulsquelle mit verstellbarer und einstellbarer Impulsfolgefrequenz (wie bei obigem Beispiel) benutzt, und diese Frequenz wird derart eingestellt, daß auf dem Bildschirm der vom Detektor 112 angezeigte, verzögerte Impuls Hr. 1 mit dem vom detektor 111 angezeigten und nicht verzögerten Impuls Ur. 2 zeitlich koinzidiert. Der Vorteil ist eine größere Genauigkeit; der Kehrwert der Meßfrequenz gibt dann den gesuchten Zeitunterschied (t₁-t_Q).

Daraus folgt die Möglichkeit, entweder den Brechungsindex η oder die Länge L des zu messenden Elementes auszuwerten«,

- Im ersten Fall (Messung von n) muß man mit ausreichender Genauigkeit die Länge L eines Probestückes (z.B. von einigen Metern) des zu messenden Elementes kennen,

- Im zweiten Fall (Messung von L) muß man mit ausreichender Genauigkeit den Wert des Brechungsindexes η kennen. Es ist dann günstig, ein Probestück mit einer bekannten Länge L zu nehmen, das von gleicher Art wie das zu messende Element ist, und eine erste Messung der Verzögerungszeit (t.. '-^₀') in diesem Probestück auszuführen, woraus sich die Auswertung von η aus

η = c (t₁'-t₀')/L'

ergibt, und dann eine zweite Messung in dem zu messenden Element mit der gesuchten Länge L auszuführen, woraus sich die Auswertung jener Länge aus

L=c (t₁-t₀)/n
oder

6(19RO 8/HP, 99

Brief vom 3IaIt 8 Dipl.-Ing. G. Schliebs

°n das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

ergibto

Indem man die Koinzidenzmethode zur Messung zweier Verzögerungszeiten wählt, wird der Fehler in der länge L eines Elementes mit einem Brechungsindex in der Größenordnung von 1,5 (normales Glas) ca. 20 cm sein. Dieser Fehler ist total unabhängig von der zu messenden Länge L und hängt nur von der Meßausrüstung ab.

- Patentansprüche -

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Claims

Brief vom 3!att 9 Dipl.-Ing. G. Schliebs

an das Deutsche Pateiiüaili-i;, MÜ/iChen Patentanwalt

Patentansprüche

1·! Verfahren zur Messung der Länge oder des Brechungsindexes eines dielektrischen Elementes zur Übertragung optischer Frequenzen, z.B. eines Leiters optischer Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Messung der Laufzeit (t-j-t ) eines Lichtimpulses auf der Länge L des zu messenden Elements mit dem Brechungsindex η vorgenommen und die Formel

t₁-t_Q = nL/c

angewendet wird, um entweder den Wert von η oder von L auszurechnen, wenn der andere Wert schon bekannt ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An- . spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie besteht aus einer Quelle (101) von kurzen Lichtimpulsen als optisches Signal (S), aus einem Strahlungselement (103) zur Einstrahlung dieses optischen Signals in das zu messende Element (E), aus einem Trennelement (105), welches das optische Signal (S) aufteilt in ein erstes Signal (S₁), das eine erste Strecke durchläuft, und in ein zweites Signal (S₂), das eine zweite Strecke durchläuft, einem Halter (107) für das zu messende Element (E) derart, daß dieses in der zweiten Strecke liegt, aus zwei Detektoren (111, 112), welche das erste und zweite optische Signal an ihren jeweiligen Austrittsstellen aus der ersten und zweiten Strecke nachweisen, und aus einem Betrachtungsgerät (113) zur Beobachtung der von den Detektoren gelieferten elektrischen Signale (S-¹, Sp') auf einem einzigen Bildschirm zur Messung der Laufzeit

609803/0899

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^Briefvom Slatt 10 Dipl.-lng. G. Schliebs

das Deutsche Pate nc anil;, München Patentanwalt
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulsquelle (101) entweder eine Laseroder eine Elektrolumineszenzdiode ist, vor welcher sich ein Generator (97) elektrischer Impulse und ein Stromverstärker (99) befinden, daß das 3trahlungselement (103) ein Mikroskopobjektiv oder eine linse mit einem Brechungsgradienten ist, daß das Irennelement (105) ein Trennplättchen oder ein Lummerwürfel ist, daß die Detektoren (111, 112) Fotodioden sind, die in Kaskade geschaltet sind oder nicht, und daß das Betrachtungsgerät (113) ein Oszilloskop ist (Pig. 2).

}-. Verfahren nach Anspruch 1 in Verbindung mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit (^-|-^₀) durch direktes Ablesen, beispielsweise auf dem Bildschirm eines Oszilloskopes, des zeitlichen Abstandes zwischen einem nicht verzögerten und einem verzögerten Impuls gemessen wird (Fig. 3A).

Verfahren nach Anspruch 1 in Verbindung mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtimpulsquelle (101) mit einstellbarer Impulsfolgefrequenz benutzt und die Laufzeit (t-ι-ΐ ) mittels des Wertes derjenigen Impulsfolgefrequenz gemessen wird, die zur z_oB. auf einem Oszilloskopbildschirm angezeigten zeitlichen Koinzidenz zwischen einem verzögerten und einem nicht verzögerten, unmittelbar folgenden Impuls notwendig ist (Fig. 3B).

6 Π 9 8 0 θ / 0 8 9 9