DE3027476A1

DE3027476A1 - Faseroptische anordnung zur polarisationserhaltenden uebertragung von licht definierten, linearen polarisationszustandes

Info

Publication number: DE3027476A1
Application number: DE19803027476
Authority: DE
Inventors: Scott Dr. Alexandria Va. Rashleigh; Reinhard Prof. Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg Ulrich
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1980-07-19
Filing date: 1980-07-19
Publication date: 1982-02-18
Also published as: DE3027476C2; FR2487083A1; GB2083613B; GB2083613A; FR2487083B1; US4468090A

Description

Max-Planck-Gesellschaft zur 17. Juli 1980

Förderung der Wissenschaft e.V. P 8071 3400 Göttingen

Faseroptische Anordnung zur polarisaticnserhaltenden Übertragung von Licht definierten,linearen Polarisationszustandes .

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Anordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Faseroptische Anordnungen zur Überwachung oder zur Messung physikalischer Parameter, z.B. Druck, Temperatur, oder Phasengeschwindigkeit o. dgl. arbeiten vielfach nach dem Prinzip der interferometrischen Erfassung optischer Weglängen oder Änderungen solcher Weglängen, die durch die zu überwachenden bzw. zu erfassenden Parameter in charakteristischer Weise beeinflußt werden. Dabei werden zur Markierung der optischen Signalpfade in der Regel optische Monoiuode-Fasern eingesetzt, in denen sich Licht in einer einzigen Mode,aber in zwei zueinander orthogonalen Polarisations-Eigenzuständen ausbreiten kann.Entsprechend dieser Eigenschaft von Monomode-Fasern ist es erforderlich,daß die miteinander zur Interferenz zu bringenden Licht wellen,die sich entlang durch verschiedene Fasern markierter Lichtwege oder entlang zweier durch eine einzige Faser markierter Lichtwege ausbreiten,mit gleichem,ζ.B.linearem Polarisationszustand·zur überlagerung gebracht werden können, damit Änderungen der Intensität der mittels geeigneter Detektoren erfaßten Interferenzerscheinungen auch eindeutige Änderungen der zu überwachenden bzw.zu messenden Größe zugeordnet werden können.

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Die in MOnomodc-I-'asorn au^brci Lungs fähige η Schwinyungutypen sind die beiden orI hogonalen Polarisationi:zui;tändc der linear polarisierten HE₁₁" Mode.In idealen,runden und doppelbrechungsfreien - optischen Fasern sind diese Eigenschwingungstypen entartet und mit derselben Phasengeschwindigkeit behaftet. Reale Fasern,deren Soll-Querschnitt ebenfalls als rund vorausgesetzt sei, haben jedoch aufgrund fertigungstechnisch bedingter Abweichungen des Faserquerschnitts von der ideal runden Form, innerer Spannungen im Fasermaterial, Mikrobiegungen und dgl.,eine Eigendoppelbrechung β.,die zu einer Aufhebung der genannten Entartung und zu einer Kopplung der beiden Eigenschwingungstypen führt, die den Polarisationszustand des Lichtes in der Faser stark beeinflußt. Da diese Störungen temperaturabhängig sind, ist der Polar isationszustand der zur Interferenz zu bringenden Lichtquellen ständigen Änderungen unterworfen, die, für sich allein gesehen,die Empfindlichkeit und Meßgenauigkeit aller entsprechenden Anordnungen erheblich beeinträchtigen wurden.

Um diese aus den genannten Instabilitäten des Polarisationszustandes resultierenden Schwierigkeiten zu vermeiden,sind Polarisations-erhaltende Fasern entwickelt worden,die eine definierte,hohe lineare Doppelbrechung zeigen,die die relativ kleinen Änderungen der Doppelbrechung,die durch die genannten Störungen hervorgerufen werden,bei weitem(ca.um 2 Größenordnungen) überwiegt. Bei solchen Fasern ist die Kopplung zwischen den beiden Eigenschwingungstypen,auch wenn die genannten Störungen wirksam sind,weitestge.hend auf gehoben, sodaß der Polarisationszustand der sich in den Eigenschwingungstypen in der Faser ausbreitenden Lichtwellen erhalten bleibt.

Zu diesem Zweck bekannte und in der wissenschaftlichen Literatur eingehend beschriebene optische Fasern lassan sich· in zwei Gruppen einteilen:

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1. Fasern mit rundem Kernquerschnitt und erzwungen elliptischem Querschnitt des Fasermantels,wobei die erhöhte lineare Doppelbrechungji der Fasern durch elasto-optischo Effekte zwischen dem Fasermantel und dem Faserkern zustande kommt. Ein typischer Wert der für das Dormol.hrpchunqsverhalten solcher Fasern charkteristischen Schwebungslängo L ,die durch die Beziehung

definiert ist,worin ρ = k - k_ (2)

die lineare Doppelbrechung der Faser und > _ und k die Fortpflanzungskonstanten des Schwingungstyps mit der größeren bzw.desjenigen mit der kleineren Phasengeschwindigkeit bedeuten,liegt bei ca.2cm.Bezüglich weiterer Einzelheiten dieses Typs polarisationserhaltender optischer Fasern sei auf die diesbezügliche wissenschaftliche Literatur verwiesen(I.P.Kaminow,J.R.Simpson,H.M.Presby and J.B.MacChesney,"Strain Birefringence in Single Polarization Germanosilicate Optical Fibers" ,Elect.Lett. , 1J5,677 (1 979) und R.H.Stolen,V.Ramaswamy,P.Kaiser und W.Pleibel,"Linear Polarization in Birefringent Single Mode Fibers",Appl.Phys. Lett.,33,699(1978)).

2. Fasern wit elliptischem Kernquerschnitt und großem Unterschied des Brechungsindex zwischen Kern und Mantel(vgl. z.B. R.B.Dyott,J.R.Cozens and D.G.Morris,"Preservation of Polarization in Optical B'iber Waveguides with Elliptical Cores ",Elect. Lett. 1_5,380 (1979) ) .

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BAD ORiGJNAL

Optische Fasern dieses Typs zeigen eine sehr starke lineare Doppelbrechung mit charakteristischen Schwobungslüngcn h von ca.1mm.

Sowohl die Fasern des erstgenannten,wie auch diejenigen des zweitgenannten Typs erscheinen aufgrund ihrer erhöhten linearen Doppelbrechung und der damit erzielbaren Entkopplung der in den Fasern ausbreitungsfähigen polarisationsentarteten Schwingungstypen grundsätzlich für eine Anwendung im Rahmen faseroptischer Sensoren geeignet.Voraussetzung dafür,daß diese Fasern ihre polarisationserhaltende Wirkung entfalten können,ist aber,daß der Polarisationszustand des eingekoppelten Lichtes in jedem Falle mit einem für die Faser charakteristischen Polarisations-Eigenzustand übereinstimmt.Lineare Polarisation des Lichtes vorausgesetzt, bedeutet dies,daß die Polarisationsrichtung z.B.mit der Richtung der "schnellen"Achse der Faser an jedem Ort derselben zusammenfallen muß.Für den Fall einer geradlinig verlegten Faser bedeutet dies,daß diese nicht verdrillt sein soll,für den Fall,daß die Faser,um aus Empfindlichkeitsgründen eine möglichst große Faserlänge auf engem Raum unterzubringen,in Form einer eng gewickelten Spule verlegt ist,bedeutet dies, daß die Brechungsachsen der Faser parallel bzw.radial zur Biegungsachse ihrer Windungen verlaufen müssen,und daß die Polarisationsrichtung des Lichtes parallel oder senkrecht zur Biegungsachse verlauft.Eine derartige Anordnung ist mit langen Fasern der beiden vorgenannten Typen praktisch nicht realisierbar ,jedenfalls nicht mit einfachen Mitteln.Es kommt hinzu,daß die Fasern im allgemeinen einen den Fasermantel·(cladding)mindestens teilweise umschließenden Schutzmantel(jacket)mit rundem oder annähernd rundem Außenquerschnitt haben,wodurch eine Verlegung der Faser mit der genannten Orientierung ihrer Brechungsachsen zusätzlich erschwert wird.Weiter kommt hinzu,daß die Fasern des Typs 2 - mit großem Brechungsindex-Unterschied zwischen Kern (coreXind Mantel (cladding) - mit hohen Transmissionsverlusten behaftet sind,sodaß diese Fasern schon aus diesem Grunde

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für eine Vielzahl denkbarer Anwendungsfälle im Rahmen faseroptischer Sensoren ausscheiden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher,eine Anordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen,die die für eine polarisationserhaltende Fortpflanzung des Lichtes in der Faser erforderliche Orientierung der ijrcchungyachsen der Fasern auf einfache Weise gewährleistet und zwar auch dann,wenn Fasern großer Länge zur Anwendung vorgesehen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Hieraus resultierende Vorteile der erfindungsgemüßen Anordnung sind zumindest die folgenden:

Die in der Faser durch deren axiale Vorspannung und eng gewickelte Verlegung auf dem Wickelkörper induzierten mechanischen Spannungen sind so gerichtet,daß sich die für das induzierte Doppelbrechungsverhalten der Faser charakteristischen Brechungsachsen automatisch in die zur Windungsachse parallele bzw.radiale Richtung orientieren.Die Realisierung der erfindungsgemäßen polarisationserhaltenden Anordnung ist daher äußerst einfach. Vorteilhaft ist insbesondere auch,daß übliche Lichtleitfasern mit kreisrundem Kern-, Mantel-und Schutzmantelquerschnitt verwendet werden können,die sehr viel einfacher und damit kostengünstiger hergestellt werden können als die einleitend erläuterten optischen Fasern mit elliptischem Kern bzw.Mantelquerschnitt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 ist eine einfache Bemessungsregel für die Größe der durch elastische Zugvorspannung und Biegung der Faser erzielbaren lineare Doppelbrechung angegeben,bei deren Beachtung die polarisationserhaltende Eigenschaft der erfindungsgemäßen Anordnung in hinreichendem Maße gewährleistet ist.

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.Die gemäß Anspruch 3 vorgesehene Art der Verlegung ist insbe- ' sondere dann vorteilhaft,wenn einerseits die von den einzelnen Windungen der Faser umschlossene Fläche möglichst groß sein soll,andererseits aber trotzdem die Faser mit kleinen lokalen Krümmungsradien verlegbar sein soll,damit der durch elastische Vorspannung und Biegung der Faser erzielbare Betrag Λ an linearer Doppelbrechung hinreichend groß wird.

Schließlich sind durch die Ansprüchc·4 und 5 vorteilhafte Anwendungen dor erfindungsgemäßen Anordnung zur Druck- und/oder Schallmessung bzw.zur Messung von Drehraten angegeben.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs- bzw.Anwendungsbeispielen anhand der Zeichnung.Es zeigen:

Fig.1 eine erfindungsgemäße polarisationserhaltende faseroptische Anordnung im Rahmen einer Druck- bzw.Schall-Meß-Einrichtung,

Fig.2 eine erfindungsgemäße Anordnung im Rahmen eines zur Messung von Drehraten geeigneten Sagnac-Interferometers und

Fig.3 eine im Rahmen der Anordnung gem. Fig.2 einsetzbare Gestaltung einer erfindungsgemäßen polarisationserhaltenden Faserspule.

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Die Fig.1,auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei, zeigt eine interferometrische Druck-Sensoreinrichtung 10, mit der aus der interferierenden überlagerung zweier,in der Fig.1 durch die Pfeile 11 und 12 rcpräsent iorI.or ,kohärenter ,monochromatischer Teillichtstrüme gleichen Polarisationszustandes die Differenz der in Druckkammern 13 und 14 herrschenden Drücke P₁ und P„ erfaßbar ist.

Aus dem von einer monochromatischen Lichtquelle 16,z.B.einer Laserdiode ausgenandten,in der Fig.1 durch den Pfeil 17 repräsentierten,monochromatischen Primärlichtstrom sondert ein Polarisatior 18 einen durch den Pfeil 19 repräsentierten Ausgangslichtstrom definierten ·- ζ.B.linearen - Polarisationszustandes aus.Dieser Ausgangslichtstrom 19 wird in einem beispielsweise als Ricntkoppler ausgebildeten Strahlenteiler 21 in zwei durch die Pfeile 22 und 23 repräsentierte, kohärente Teillichtströme gleichen Polarisationszustandes und etwa gleicher Intensität aufgeteilt.An den Ankoppelstellen 24 und 26 werden die Tcillichtströme 22 bzw.23 jeweils in durch optische Fasern 27 bzw.28 markierte Lichtwege eingekoppelt,deren optische Weglängen als Folge der Druckabhängigkeit der Brechungsindices der den Drücken P. ,P ausgesetzten optischen Fasern 27 bzw.28 ebenfalls druckabhängig sind.Die den Lichtweg in den Druckmeßkamniern 13 und 14 markierenden optischen Fasern 27 und 28 sind jeweils Teil einer im folgenden noch näher zu erläuternden erfindungsgemäßen faseroptischen Anordnung 30,die den Polarisationszustand der über die Lichtwege 27 bzw.28 geleiteten Lichtströme 22 bzw.23 aufrecht erhält.Die an den Auskoppelstellen 31 und 32 aus den Lichtwegen 27 bzw.28 druckabhängiger optischer Weglänge austretenden Teillichtströme 11 und 12, die somit den gleichen Polarisationszustand haben wie die Teillichtströme 22 und 23_;"werden in einem Strahlvereiniger 33,der ebenso wie der Strahlenteiler 21 als Richtkoppler

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ausgebildet sein kann,einander überlagert.Die aus der interferierenden Überlagerung der Teillichtstrorne 11 und 12 resultierenden,durch Pfeile 34 und 36 repräsentierten Ausgangslichtströrae des Strahlvercinigers 33 werden photo-. · elektrischen Detektoren 37 und 38 zugeleitet,deren intensitätsproportionale Ausgangssignalc mittels einer Auswertungselektronik. 39 zu einem der Uruckdif ferernz (v - VA proportionalen elektrischen Ausgangssignal verarbeitet und mittels einer Anzeigevorrichtung 41 in den geeigneten Einheiten zur Anzeige gebracht worden.

Die zur polarisationserhaltenden Lichtübertragung von dem Strahlenteiler 21 auf den Strahlvereiniger 33 vorgesehenen, zur Realisierung der druckabhängigen Lichtwege eingesetzten erfindungsgemäßen faseroptischen Anordnungen 30 haben im einzelnen den nachstehend erläuterten Aufbau,wobei zum Zweck der Erläuterung lediglich auf die gemäß Fig.1 obere,die optische Faser 27 umfassende Anordnung verwiesen wird:

Die optische Faser 27 sei - ohne Beschränkung der Allgemeinhiet - als verlustarme Moncmode-Faser mit im üblichen Sinne kreisrundem Querschnitt mit dem Durchmesser 2r vorausgesetzt. Die optische Faser 27 ist in elastisch gedehntem Zustand mit einer Dehnung £ von ca.O,3 bis 1» in Form einer einlagigen Faserspule 42 auf einen festen Wickelkörper 43 mit gemäß Fig.1 kreiszylindrischer äußerer Mantelfläche 44 aufgewickelt,wobei die einzelnen Windungen der Faserspule 4 2 unmittelbar nebeneinander liegen und ihre Windungsflächen rechtwinklig zur zentralen Achse 46 des Wickelkörpers 43 verlaufen.Der von der zentralen Achse 46 des Wickelkörpers 43 bis zur zentralen Faserachse gemessene Krümmungs- bzw.Wickelradius sei mit R bezeichnet. Im Bereich des,in Ausbreitungsrichtung des Lichtstroiaes 22 bzw.11 gesehen,sich an die Ankoppelstelle 24 anschließenden Anfangsabschnittes 47 und des zur Auskoppelstelle 31 hin-

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führenden Endabschnittes 4 8 der Spulenwicklung 4 2 ist die optische Faser 27 an geeigneten Befestigungsstrellen 49 L»:w.51 am Wickelkörper 4J unverrückbar f e:;l cjc leq I , /. H .dur ch Ankleben mittels eines KpoxydK-.r/.- Klebers. Zwischen diesen End-Befestigungsstellen 49 und b1 können gegebenenfalls weitere,über die Länge der Wicklung verteilt angeordnete Befestigungsstellen vorgesehen sein,um die optische Faser in dem gedehnten Zustand am Wickelkörper 43 sicher zu fixieren. Die solchermaßen unter axialer Zugspannung gehaltene optische Faser 27 wird unter dem Einfluß dieser Zugspannung auch in radialer Richtung gegen die Mantelfläche 44 des Wickelkörpers 43 gepreßt.

Als Folge dieser aus der Kombinationswirkung der gekrümmten Verlegung der optischen Faser 27 mit deren axialer Zug-Vorspannung resultierenden Querkräfte einerseits und der für sich allein betrachteten Krümmung der optischen Faser 27, andererseits,wird der optischen Faser 27 eine lineare Doppelbrechung β mit Hauptachsen parallel und senkrecht zur Krümmungsachse 46 aufgeprägt,die dem Betrage nach durch die Beziehung

ß-

gegeben ist,hierin ist durch die Bezeichnung _tc = k (n³/2) (P₁₁ -P₁₂)(I+ V) (2-3y ) (1-^)"¹ Kr £ (4;

derjenige Anteil angegeben,der aus der kombinierten Wirkung der Krümmung der Faser 27 und deren axialer Dehnung £ resultiert,während durch die Beziehung

= k (n³/4) ( p_ri- P₁₂Kl+ y)JC²r² (5)

derjenige Anteil gegeben ist,der allein schon aufgrund der

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■Μ

Krümmung K- 1/U- dor opl ischon I-'asor 27 y.usUinde koiiuuL.

In don Beziehungen (4 ) und (5) sind mit. k ~- 2 TT/λ. d i.o Vakuum-Fortpflanzungskonstante,mit η der für die ^11Γ'^;·]^~ Mode maßgebliche Wert dos Brechungsindex dos Fui.ermuLoriuIs , mit P₁₁ und P₁₉ dio maßgeblichen Komponenten dos; phot-O-elastischen Tensors(vgl.J.F.Nye,"Physical Properties of Crystals",Clarendon Press,Oxford(1969)) und mit Vaie Poisson¹sehe Querkontraktionsziffer bezeichnet.

Mit den für geschmolzenen Qusrz geltenden Werten der Materialkonstanten (n= 1,46; U= 0,17 und (P-] 1"P_{1 2} ^ ⁼ ~⁰'¹⁵^ und Λ. = O,633y«.ni folgt aus den Beziehungen (4) und (5):

β = -28 χ 10⁷fCr£ Grad/m (6) und

_b = -7,7 χ 1O⁷ fc²r² Grad/m (7),

wobei die negativen Vorzeichen zeigen,daß die "schnellen" Achsen beider Beiträge und damit auch die entsprechende Achse der insgesamt induzierten Doppelbrechungß mit dem Krümmungsradius R zusammenfallen.

In die Faserspule 4 2 eingokoppcllie:; Licht,deuten Polarisationszustand beim Durchlaufen des Lichtweges 27 stabil bleiben soll,muß also entsprechend den durch die induzierte Doppelbrechung |J der Faser 27 ausgezeichneten Polarisations-Eigenzuständeil· entweder die zur Wicklungsachse 46 senkrechte oder die dazu parallele Polarisation haben.

Aus den Beziehungen (61 und (7) ergibt sich- unmittelbar ,da© (5 _tc schon für mäßige Dehnungen C-^ f%) , im Zentimeter bereich, liegende WickXungsdurchmesser ZR und- trb-liehe Faserdurehmesser 2r von ca.TOOfcm den durch die K-rümmöngr der Faser

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allein bedingten Anteilp. der induzierten Doppelbrechung überwiegt.

Die Stabilisierung des Polarisationszustandes mit geeigneter^ zur Wicklungsachse 46 senkrechter oder paralleler Polarisation in die Faser 27 eingekoppelten Lichtes ist umso besser, je größer die in der Faser durch Zugspannung und Biegung induzierte Doppelbrechung ßim Vergleich zu der durch die einleitend genannten Störungen bedingten Eigen-Doppelbrechung β . der Faser 27 ist,d.h.,es muß gelten:

Typische Werte der durch die Beziehung(1) mit der Doppelbrechung verknüpften Schwebungslänge L liegen bei üblichen runden,verlustarmen und nicht gedehnten Fasern guter Qualität bei ca.1-2m.Demgegenüber beträgt in einem typischen Fall spannungs- und biegungsbedingter Doppelbrechung β bei einer Faser mit einem Durchmesser 2r von 100 /in¹,einem Wicklungsdurchmesser 2R von 5cm bei einer Dehnung Z- 13 die Schwebungslänge L ca.6cm.

Dieser Vergleich zeigt,daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung 30 die Bedingung (8) sehr leicht erfüllt und mithin eine ausgezeichnete Polarisationsstabilisicrung erzielt werden kann.

Wie anhand der Beziehung(6) erkennbar,wird die unter Mitwirkung der elastischen Vorspannung erzielbare Doppelbrechung und damit die polarisationserhaltende Wirkung der Anordnung umso größer,je kleiner der Krümmungsradius R ist.Die vorteilhafte polarisationserhaltende Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung 30 ist also gerade bei kleinen Wicklungsdurchmessern besonders stark ausgeprägt ,-demgemäß eignet sich die erfindungsgemäße Anordnung 30 insbesondere dann,wenn es auf einen raumsparenden Aufbau einer Sensor-Einrichtung ankommt,wie z.B. einer Schall-Sensor-Einrichtung.

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Die Fig.2,auf deren Einzelheiten wiederum ausdrücklich verwiegen sei,zeigt eine weitere vorteilha fte Anwendung einer in ihrem prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen polarisationserhaltenden faseroptischen Anordnung gemäß Fig.1 völlig analogen Anordnung 60,die hier im Rahmen eines zur Messung kleiner Drehraten geeigneten Sagnac-Interferometers eingesetzt ist.

Bei diesem Sagnac-Interferometer 61 ist durch die optische Faser 27 der Verlauf eines Lichtweges definiert,der eine Fläche F umschließt.Dieser Lichtweg wird in entgegengesetzten Richtungen von den durch die Pfeile 61 und 62 repräsentierten Teillichtströmen durchlaufen,die durch Aufteilung eines Primärlichtstromos 63 mittels eines Hauptstrahlenteilers 64 erzeugt werden.Die in der jeweils entgegengesetzten Richtung an den Faserenden 66 und 67 wieder austretenden Teillichtströme werden in dem nunmehr als Strahlvereiniger ausgenutzten Hauptstrahlenteiler 64 überlagert.Die Funktionsweise der insoweit erläuterten Sagnac-Interferometer-Anordnung ist derjenigen der interferometrischen Druck-Sensor-Einrichtung 10 gemäß Fig.1 völlig analog.

Wenn sich die Faserspule 60 mit einer Winkelgeschwindigkeit ζΐ dreht,entsteht zwischen den im Strahlvereiniger 64 ankommenden Teillichtströmen 61 und 62 eine Phasenverschie^ buru) φ B 7Γ Ω f/Ac. Hierin bedeutet c die Lichtgeschwindigkeit und Λ. die Wellenlänge der durch «.lie L'user 27 geleiteten Strahlung.Diese Phasenverschiebung ψ wird durch Messung der intern; itütsänderung des vom Stralvereiniger 64 entgegen der Richtung des Pr unürlichtstromes 63 austretenden Lichistroiues nachgewiesen.Hierzu geeignete Funktionselemente wie ein Hilfsstrahlenteiler 69 und eine diesem nachgeschaltete Dektektor-

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und Auswertungselektronik werden als bekannt vorausgesetzt.

Wesentlich für die zweckentsprechende Punktion des Sagnac-Interferometers 61 ist zum einen,daß der Primärlichtstrom 6 einen definierten,mittels eines Polarisators 71 festgelegten Polarisationszustand besitzt,und daß die an den Faserenden und 67 wieder austretenden Teillichtströme denselben Polarisationszustand aufweisen,sodaß sie den Polarisator 71 in Richtung auf die insgesamt mit 72 bezeichnete Nachweisanordnung passieren können.Insoweit besteht auch bei diesem Anwendungsfall das Problem,den Polarisaionszustand der jeweiligen Teillichtströme gegen über die Länge der Faser 27 wirksame störende Einflüsse zu stabilisieren,das mittels der erfindungsgemäßen Anordnung 60 auf elegante Weise gelöst wird.Soweit nicht ausdrücklich erwähnt,sind in der Fig.2 Elemente,deren Funktion solchen der Fig.1 analog ist_fmit den entsprechenden Bezugszeichen belegt.

Der im Rahmen des Sagnac-Interferometers 61 vorgesehene Polarisator 71,der aus dem von der Lichtquelle 16 ausgesandten Primärlichtstrom 17 den Lichtstrom 63 definierten Polarisationszustandes aussondert,muß so eingestellt sein,daß die durch Auf spaltung des Lichtstromes 63 mittels des Hauptstrahlenteilers 64 erzeugten,an den Kopplungsstellen 66 und 67 in die Faser 27 eintretenden Teillichtströme 61 und 62 gleiche, zur Wicklungsachse 4G parallele oder senkrechte Polarisationen haben, die sich als die Eigenpolarisationszustände der gekrümmten und gespannten Faser stabil ausbreiten.

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BAD ORlGlMAL

Pa bei Rotatxonssensoren des anhand der Fig.2 erläuterten Typs ι die Empfindlichkeit von der Fläche F abhängt,die von der optischen Faser 27 umschlossen ist,kann bei solchen Sensoren der Wicklungsdurchmesser 2R nicht annähernd so klein gewählt werden wie z.B.im Falle der in der Fig.! dargestellten Druck-Sensor-Einrichtung 10.Außerdem sind auch einer Erhöhung der Dehnung S der Faser 27 durch deren Bruchfestigkeit Grenzen gesetzt. Um dennoch auch bei einer Anordnung 60 mit großem Wicklungsdurchmesser 2R die für eine günstig hohe Doppelbrechung β gemäß den Beziehungen (4) und (5) geeignet hohen Krümmungswerte erzielen zu können,kann die optische Faser mit einem schematisch in der Fig.3 dargestellten wellenförmigen Verlauf verlegt sein.Der in der Fig.3 nur mit einem Quadranten seines Querschnitts dargestellte Wickelkörper 73 hat in diesem Fall eine wellig gestaltete äußere Mantelfläche 74 mit in Längsrichtung,d.h.parallel zur Wicklungsachse 46 verlaufenden Rippen 76 und dazwischen liegenden Rillen.Um die in axialer Richtung elastisch vorgespannte optische Faser 27,die wiederum auf geeignete Weise am Wickelkörper 73 festgelegt ist,in dem dargestellten wellenförmigen,etwa der Außenkontur des Wickelkörpers 73 folgenden Verlauf halten zu können,sind im Bereich der Rillen 77 radial an den Wickelkörper 73 heranführbare und in definiertem Abstand von diesem festlegbare Stützkörper 78 vorgesehen, deren Stützflächen 79,an denen die optische Faser 27 anliegt, mit demselben Krümmungsradius R' gewölbt sind wie die Rippen des Wickelkörpers 73.Der für den Betrag der Spannungs-induzierten und der aus der Biegung der optischen Faser 27 resultierenden Doppelbrechung maßgeblichen Betrag der Krümmung ist dann im wesentlichen durch den im Vergleich zum Wicklungsdurchmesser 2R wesentlich kleineren Krümmungsradius R¹" bestimmt.

Claims

Max-Planck-Gesellschaft zur 17.JuIi 1980

Förderung der Wissenschaften e.V. P 80 71

PATENTANSPRÜCHE

Faseroptische Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von Licht definierten - linearen - Polarisationszustandes mit einer Lichtleitfaser,die eine lineare Doppelbrechung aufweist,deren Betrag hinreichend groß ist,um eine weitgehende Entkopplung der in der Faser ausbreitungsfähigen polarisationsentarteten Schwingungstypen des Lichts zu vermitteln, dadurch gekennzeichnet,daß der für die Entkopplung dieser polarisationsentarteten Schwingungstypen erforderliche Betrag an linearer Doppelbrechungßdadurch erzielt ist,daß die optische Faser(27)in einem elastisch-gedehnten Zustand auf einen Wickelkörper(4 3)aufgewickelt und in diesem elastisch-gedehnten Zustand an dem Wickelkörper (4 3) festgelegt ist.
2. Faseroptische Anrdnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,daß die durch elastische Dehnung und spulenförmige Verlegung der optischen Faser(27)erzielte lineare Doppelbrechung β = ß + β betragsmäßig mindestens drei mal größer ist als die Eigendoppelbxechungjß. der optischen Faser (27).
3. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(27)mit innerhalb der einzelnen Windungen,deren Windungsebene senkrecht zur Wicklungsachse verlauft,wellenförmigen Verlauf an einem Wickelkörper(73)verlegt und gehalten ist (Fig. 3).

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4. Verwendung einer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gestalteten faseroptischen Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von Licht zur Druckmessung, dadurch gekennzeichnet,daß mindestens in einem Arm (21,30, 33)eines faseroptischen Interferometers(10)eine dem zu erfaßenden Druck aussetzbare Anordnung(30)mit vorzugsweise kleinem Wicklungsdurchmesser 2R vorgesehen ist(Fig.i).
5. Verwendung einer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3 gestalteten faseroptischen Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von Licht, dadurch gekennzeichnet,daß die Anordnung(30;60)drehbar angeordnet ist und im Rahmen eines Sagnac-Interferometers(61) den über einen Hauptstrahlenteiler(64)bzw.Strahlvereiniger geschlossenen Lichtweg markiert(Fig.2).

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