DE3217168C2

DE3217168C2 - Faseroptisches Refraktometer

Info

Publication number: DE3217168C2
Application number: DE19823217168
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys.Dr. 7800 Freiburg Spenner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1982-05-07
Filing date: 1982-05-07
Publication date: 1986-10-30
Also published as: DE3217168A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Messen des Brechungsindexes von Flüssigkeiten und Gasen besteht aus einem Lichtwellenleiter (LWL), der im Meßbereich geeignete Inhomogenitäten zur Modenkonversion aufweist. Ein Teil des in LWL geführten Lichtes wird abhängig vom Brechungsindex in das umgebende Medium ausgekoppelt. Die verbleibende Restintensität hängt direkt vom Brechungsindex ab.

Description

Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Refraktometer mit einer Lichtquelle, deren Licht nach Einspeisung in einen ersten Abschnitt eines Lichtwellenleiters und Durchlaufen eines Licht in Aohängigkeit vom Brechungsindex des umgebenden Mediums auskoppelnden Meßbereiches über einen zweiten Abschnitt des Lichtwellenleiters einen Lichtempfänger zur Erzeugung eines Ausgangssignales speist.

Ein derartiges Refraktometer ist aus der US-PS 40 747 bekannt und verfügt über einen ersten Abschnitt des Lichtwellenleiters, der bis zum Meßbereich geradlinig verläuft Der zweite Abschnitt des Lichtwellenleiters hat eine entsprechende Form. Zwischen den beiden Lichtwellenleiterabschnitten ist der aus einem gekrümmten Lichtwellenleiterabschnitt bestehende Meßbereich vorgesehen, innerhalb dem der Durchmesser des Lichtwellenleiterabschnitts mit dem Durchmesser des ersten und zweiten Abschnitts übereinstimmt. Die Krümmung innerhalb des Meßbereiches kann die Gestalt eines griechischen Buchstabens Omega, die Gestalt einer S-Kurve, einer Ü-förmigen Kurve oder eine kreisförmige Gestalt haben. All diesen Ausbildungen des Meßbereichs ist gemeinsam, daß der Meßbereich sich über eine verhältnismäßig große Ebene erstreckt, innerhalb der der Lichtwellenleiter entlang einer gekrümmten Bahn geführt ist. Infolge dieser Krümmungen ist die Meßbereichsebene um ein Vielfaches breiter und länger als der Durchmesser des Lichtwellenleiters.

Aus diesem Grunde beansprucht der Meßbereich ein Volumen, das ein Vielfaches des Lichtwellenleitervolumens beträgt, das den eigentlichen empfindlichen Meßbereich ausmacht Infolge des hohen Platzbedarfes des bekannten Refraktometers ist es zur Bestimmung des Brechungsindexes erforderlich, Ober ein gewisses Mindestmeßvolumen und damit einen verhältnismäßig großen Meßraum zu verfügen, der einer Miniaturisierung des bekannten Refraktometers entgegenstehe

ίο In der DE-OS 23 51 621 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Dampfdruckes von Gasen beschrieben, bei dem der Fühler eine der Einwirkung des Gases aussetzbare Mikrokapillare aufweist, durch die eine definiert aufgerauhte Oberfläche bereit-

•"5 gestellt wird.

Auch aus der DE-OS 21 37 842 ist eine Einrichtung zur Messung der Brechzahl von Flüssigkeiten und Gasen bekannt, die einen verhältnismäßig voluminösen Meßbereich aufweist innerhalb dem eine Lichtumlenkung um insgesamt 180° erfolgt

In der US-PS 42 56 403 ist ein Flüssigkeitsstanddetektor beschrieben, dessen Licht innerhalb eines plattenförmigen Körpers strahlenoptischen Gesetzmäßigkeiten folgt Der Meßbereich dieser Anordnung ist ein voluminöser Lichtwellenleiter mit Aussparungen, die die strahlenoptisch möglichen Lichtwege eingrenzen und dem Körper einen veränderlichen Querschnitt verleihen.

In der US-PS 4045 668 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von nicht vermischbaren Flüssigkeiten erörtert, bei der ein Meßbereich mit einem gestreckten Lichtwellenleiter verwendet wird. Eine Ablagerung von öltröpfchen auf dem gestreckten Lichtwellenleiter führt zu einer Lichtauskopplung und damit zu einem Meßsignal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Meßbereich lediglich ein kleines Meßvolumen benötigt, so daß eine Miniaturisierung möglich wird.
Diese Aufgabe wird erfindungi^mäß dadurch gelöst, daß der Meßbereich zwischen den beiden Lichtwellenleiterabschnitten einen um die Verbindungslinie zwischen den beiden Lichtwellenleiterabschnitten rotationssymmetrischen, gestreckten faseroptischen Modenmischer zur Modenkonversion des in Form von diskreten Moden im ersten Abschnitt des Lichtwellenleiters geleiteten Lichtes in ein breites Modenspektrum aufweist.

Dadurch, daß der Meßbereich statt eines innerhalb einer Ebene einfach oder mehrfach gekrümmten Licht-Wellenleiterstückes einen gestreckten faseroptischen Modenmischer aufweist, ergibt sich für den Meßbereich ein äußerst kompakter Aufbau, der lediglich ein Volumen benötigt, das in der Größenordnung des verwendeten Materials für den Modenmischer selbst liegt. Verlustvolumina, die zwischen den Krümmungsbereichen liegen, werden vermieden. Im Bereich des Modenmischers, der ein Änderungsbereich der optischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters darstellt, werden Grenzmoden angeregt, die sehr empfindlich gegen äußere Einflüsse sind. Durch den Einsatz des Modenmischers wird die Zahl der ausbreitungsfähigen Moden im Meßbereich verändert. Insbesondere werden höhere Moden angeregt, durch die sich für das Refraktometer der weitere Vorteil einer größeren Empfindlichkeit ergibt. Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Modenmischer durch eine Durchmesserveränderung des Lichtwellenleiters im Meßbereich realisiert. Es ist aber auch möglich, den Modenmischer

durch eine Inhomogenität des Brechungsindexes im Meßbereich auszubilden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Modenmischer eine Aufrauhung der Oberfläche des Lichtwellenleiters im Meßbereich. Das faseroptische Refraktometer kann auch so ausgestaltet sein, daß der Modenmischer eine Beschichtung des Lichtwellenleiters iu Meßbereich aus einem oder mehreren Oberzügen ist, deren Brechungsindizes von dem Brechuiigsindex des Lichtwellenleiters verschieden sind. ίο

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt

A b b. 1 den ersten Abschnitt und zweiten Abschnitt eines Lichtwellenleiters zusammen mit dem in eine Flüssigkeit eingetauchten Meßbereich,

A b b. 2 ein faseroptisches Refraktometer gemäß der Erfindung mit einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger zur Erzeugung eines Ausgangssignals und

A b b. 3 das Ausgangssignal des Lichtempfängers in semilogarithmischer Darstellungsweise.

In A b b. 1 erkennt man einen Lichtweltenleiter der in das zu messende Medium eingetaucht ist Der Lichtwellenleiter hat innerhalb des Meßvolumens wenigstens eine Inhomogenität, die das in Form von diskreten Moden geleitete Licht in ein breites Modenspektrum umformt Wie man in A b b. 1 erkennt, kann die im Meßbereich vorgesehene Inhomogenität zur Konversion der optischen Ausbreitungsmoden durch eine Verdickung des Lichtwellenleiters realisiert werden.

Abhängig von der Differenz des Brechungsindex zwisehen dem Lichtwellenleiter und dem Medium, das beispielsweise eine Flüssigkeit ist, wird ein Teil des Lichtes, nämlich die höheren Moden bis zu einer unteren brechungsindex-abhängigen Grenze aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt. Der andere Teil, nämlich die niederen Moden, bleiben im Lichtweiienieiter und werden weitergeführt. Die Restintensität des Lichtes wird in der in A b b. 2 dargestellten Weise mittels eines Detektors oder Empfängers gemessen, verstärkt und dann angezeigt.

Zur Realisierung des faseroptischen Refraktometers wurde bei einem ersten Ausführungsbeispiel ein handelsüblicher Lichtwellenleiter mit Stufenindexprofil von einigen Metern Länge benutzt Im Meßbereich ist der Mantel nnd der Überzug des Lj-,7htwellenleiters über eine Länge von 1 cm entfernt, wobei der Durchmesser des Lichtwellenleiters in der in A b b. 1 dargestellten Weise vergrößert ist. Der so geformte Teil des Lichtwellenleiters ist in das zu messende Medium, insbesondere eine Flüssigkeit, eingetaucht.

Wie man in A b b. 2 erkennt, wird das Licht der Lichtquelle, beispielsweise einer LED, in das eine Ende der Faser, das durch den ersten Abschnitt des Lichtwellenleiters gebildet ist, eingekoppelt, während am anderen Ende, das vom zweiten Abschnitt des Lichtwellenleiters gebildet ist, die übertragene Lichtintensität mittels eines Lichtempfängers, beispielsweise einer Photodiode, und einem nachgeschalteten Verstärker gemessen wird.

Die gemessene Lichtintensität hängt vom Brechungsindex der zu untersuchenden Flüssigkeit ab und ergibt so in semilogarithmischer Darstellung eine Gerade, was in A b b. 3 veranschaulicht ist. Man kann daher das elektrische Meßsignal logarithmieren und in Einheiten des Brechungsindexes analog oder digital anzeigen.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Faseroptisches Refraktometer mit einer Lichtquelle, deren Licht nach Einspeisung in einen ersten Abschnitt eines lichtwellenleiters und Durchlaufen eines Licht in Abhängigkeit vom Brechungsindex des umgebenden Mediums auskoppelnden Meßbereiches Ober einen zweiten Abschnitt des lichtwel- !enleiters einen Lichtempfänger zur Erzeugung eines Ausgangssignales speist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich zwischen den beiden Lichtwellenleiterabschnitten einen um die Verbindungslinie zwischen den beiden Lichtwellenleiterabschnitten rotationssymmetrischen, gestreckten faseroptischen Modenmischer zur Modenkonversion des in Form von diskreten Moden im ersten Abschnitt des Lichtwellenleiters geleiteten Lichtes in ein breites Modenspektrum aufweist.

2. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenmischer eine Durchmesserveränderung des Lichtwellenleiters im Meßbereich ist

3. Refraktometer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenmischer eine Inhomogenität des Brechungsindexes im Meßbereich ist

4. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenmischer eine Aufrauhung der Oberfläche des Lichtwellenleiters im Meßbereich ist

5. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenmischer eine Beschichtung des Lichtwellenleiter!, im Meßbereich aus einem oder mehreren Überzügen ist, deren Brechungsindizes von dem Brechungsindex des Lichtwellenleiters verschieden sind.