DE3311809A1 - Interferometrisches, eichbares fabry-perot-sensorsystem mit doppelbrechendem monomode-lichtwellenleiter - Google Patents

Interferometrisches, eichbares fabry-perot-sensorsystem mit doppelbrechendem monomode-lichtwellenleiter

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    • G02B6/29356—Interference cavity within a single light guide, e.g. between two fibre gratings

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem, das zur hochpräzisen
  • Messung von auf ein Sensorelement einwirkenden Zustandsgrößen geeignet ist. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Figur 1. Das Sensorsystem besteht in diesem Beispiel aus einem Halbleiterlaser (1), der nur bei einer einzigen Wellenlänge emittiert.
  • Die Stabilisierung dieser Wellenlänge erfolgt durch Kontrolle des Injektionsstromes (2) und einer Temperaturstabilisierung (3).
  • Beide Stabilisierungen werden von einer gemeinsamen Elektronik (4) kontrolliert, die von der Auswerteelektronik (5) des Gesamtsystems kontrolliert wird. Das vom Halbleiterlaser (1) abgestrahlte Licht wird über eine geeignete Optik (6), in die auch eine optische Richtungsleitung integriert werden kann, in eine einwellige, polarisationserhaltende Zuleitungsfaser (7) eingekoppelt. Das Licht gelangt so zum eigentlichen Sensorelement (9), das aus einem doppelbrechenden Lichtwellenleiter aufgebaut ist und einen Fabry-Perot-Resonator darstellt. In Abhängigkeit von der von außen wirkenden Zustandsgröße ändert sich die Transmission und Reflexion dieses Sensorelementes. Diese Eigenschaften werden später näher beschrieben. Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Auswertung in Reflexion: Das vom Sensorelement (9) reflektierte Licht wird über die Zuleitungsfaser (7), einen pol ari sati onserhal tenden Richtkoppler (8) den beiden Detektoren (10) und (11) zugeführt. Vor diesen beiden Detektoren befindet sich ein geeignetes optisches Element (12), z. B. Wollaston-Prisma, das das von der polarisationserhaltenden Lichtleitfaser (13) ankommende Licht in zwei zueinander senkrecht polarisierte Wellen aufteilt. Die von den beiden Fotodetektoren (10) und (11) detektierte Lichtleistung wird über die beiden Verstärker (14) und (15) der Auswerteelektronik (5) zugeführt. Um auch geringe Lichtleistungsschwankungen des Halbleiterlasers zu kompensieren wird das aus dem Richtkoppler (8) austretende Licht über eine weitere Faser (16) einem dritten Detektor (17) zugeleitet und über den Verstärker (18) in der Auswerteelektronik (5) verarbetet.
  • Das Sensorelement (9) besteht aus einem doppelbrechenden Lichtwellenleiter, dessen senkrecht zur Wellenleiterachse stehenden Endflächen mit hochreflektierenden Spiegeln versehen sind, um dadurch einen Fabry-Perot-Resonator herzustellen.
  • Die Kombination des Prinzips des Fabry-Perots mit dem Konzept des doppelbrechenden Lichtwellenleiters stellt das Kernstück der vorliegenden Erfindung dar und bietet folgende charakteristischenVorteile: die Polarisationserhaltung erlaubt den parallelen Betrieb zweier Resonatoren in einem Lichtwellenleiter ohne Energieaustausch zwischen den in den beiden Resonatoren vielfach reflektierten orthogonalen Moden (HExll und HEy1l). Dieses System zeichnet sich außerdem durch hohe Gleichtaktunterdrückung aus, da beide Resonatoren auf etwaige äußere Einflüsse (Ausnahme: Temperatur) in gleicher Weise reagieren.
  • Die Phasenänderung (dfx, d¢y) pro Hin- und Rückreflexion (round trip) in einem solchen Doppelresonator ist bei konstanter Lichtwellenlänge Ä gegeben durch L ist die Länge des Fabry-Perot-Resonators, nx und ny sind die Brechzahlen bezüglich der Hauptachsen x und y des doppelbrechenden Lichtwellenleiters.
  • L = L0 (1 + aT), LO = L (T = O °C) nx = nOX (1 + ßxT) nOX = nx (T = 0 °C) ny = nOy (1 + ßyT), nOy = ny (T = 0 °C) nx - ny =#n Dabei ist a der Längenausdehnungskoeffizient des Wellenleiters (z. B. Quarz: a α 6-10 7ZoC), ßx y ist der Temperaturkoeffizient der Brechzahl in Richtung der Wellenleiterhauptachsen (typischer Wert: ß # 10-5/°C). Die Phasenänderung im Fabry-Perot-Resonator läuft also wesentlich über die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl, sofern - wie hier angenommen - das Sensorelement aus Quarzglas besteht, also z. B. einer Lichtleitfaser. Die Phase + geht in die Phasenfunktion ein, mit der die Transparenz t des Fabry-Perot-Resonators berechnet wird: t t .f(q>).
  • t = tmax.f(#).
  • Dabei ist F = #r z (r2 = Reflexionskoeffizient der hier als gleich angenommeneh Spiegel) die Finesse und tmax die (verlustabhängige) Maximal transparenz des Resonators.
  • Figur 2 zeigt den typischen Verlauf solcher Transparenzkurven bei Veränderung der Temperatur für verschiedene Werte des Verlustfaktors l des Resonators.
  • Nimmt man beispielhaft für das Sensorelement eine doppelbrechende Faser an mit den Hauptachsen x und y, längs deren sich die orthogonalen Fundamentalmoden HEx11 und HEy11 mit den etwas verschiedenen Phasengeschwindigkeiten, vx = c/nX und vy c/n = ausbreiten, wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist. Bei Einstrahlung einer linear polarisierten Welle in x- oder y-Richtung wird nur die HE 11 oder die HEy1l-Mode angeregt, die wegen der Polarisationserhaltung stets längs der jeweiligen Hauptachse reflektiert wird, ohne Energie mit der anderen Welle auszutauschen.
  • Bei Einstrahlung einer linear polarisierten Welle unter p = 450 zu den Hauptachsen ändert sich wegen der relativen Phasenverschiebung zwischen den beiden orthogonalen Moden die Polarisation längs der Faser innerhalb einer Schwebungslänge A über rechts zirkular (## = #/2), linear, (E = 3 links zirkular (h =-2 ) zu linear (Af = 2 ), mit elliptischer Polarisation als Zwischenzuständen. Diese Verhältnisse sind in Fig. 3 schematisch dargestellt. Wird linear polarisiertes Licht unter einem beliebigen Winkel p z. B. gegen die x-Hauptachse in den Resonator eingestrahlt, so gilt nach Fig. 4 folgendes: die Komponenten der Feldstärkeamplituden sind Ex = E0 cos p Ey = Eo sin p Iy = Ey2 = y sin² # .2 I0 = E02 Ix y o Die Komponenten Ix und Iy können mit einem in Richtung der Hauptachsen zu orientierenden Analysator oder einem unter 450 orientierten Wollastonprisma (12) ermittelt werden. Aus den Verhältnis Iy/IX folgt für den Einstrahlwinkel p Andererseits kann somit über den Winkel p ein gewünschtes Intensitätsverhältnis Iy/IX eingestellt werden, für p = 600 wird z. B.Iy/Ix = Bei Variationen der Temperatur um tx (T) und ty(T) gemäß der Gleichung tx =tmax f(x) bzw. ty =tmax f(#y) erhält man den in Fig. 5 dargestellten Verlauf.
  • Ein in Transparenz messender Detektor (ohne Analysator) ergibt dann das resultierende Signal 1(T) = Ix(T) + I;(T).
  • Dieses Signal hat zwei wesentliche Eigenschaften: a) Es wechseln große Maxima (IymaX) mit kleinen Maxima (IXmax) ab. Ober einen geeigneten Schwellenwertdiskriminator kann somit die Richtung der Anderung von T bestimmt werden.
  • b) Der Abstand zwischen benachbarten Maxima ist eine monoton zunehmende (bzw. abnehmende) Funktion von T. Die Stärke dieser Funktion ist abhängig von der Stärke der Doppelbrechung, ausgedrückt durch A (starke Doppelbrechung 4- kleinem t) des Resonators. Je nach der Größe von A haben die Signale Ix (T) und Iy(T) einen etwas verschiedenen freien Spektralbereich 9 =c/2nL. Dadurch entsteht eine mehr oder weniger große Schwebungslänge AT nach der die Signale Ix und Iy wieder gleiche Phase bezüglich T erreichen. Die Folge der Maxima von Ix(T) und Iy(T) gleicht somit einer Form, die entsteht, wenn man zwei Kämme mit leicht verschiedenem Zahnabstand (freier Spektralbereich Av) und dem Zahnhöhenverhältnis 1y11x Ubereinanderlegt.
  • Neben dem Einsatz dieses Konzepts als Temperatursensor ist auch die Anwendung für andere Zustandsgrößen prinzipiell möglich. Dies gilt insbesondere für einen Stromsensor mit metallbeschichteter doppelbrechender Faser, bei der die Joule'schen Verluste in der Beschichtung in eine Erwärmung der Faser umgesetzt werden, womit der Stromsensor letzlich als Temepratursensor betrieben wird.
  • Die Kombination des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensorsystems mit speziell dotierten bzw. präparierten doppelbrechenden Lichtwellenleitern erlaubt z. B. die Konzipierung eines Magnetfeldsensors mit geeignetem anisotrop magnetooptischem Kernmaterial, so daß eine für eine Absoluteichung ausreichende Abhängigkeit An (B) = nx (B) - ny (B) der Doppelrechung vom zu messenden Magnetfeld B entsteht. Das eigentliche Resonatorsignal, also die Folge der Maxima IXmax und wird durch magnetostriktive Kopplung des Resonators an eine Nickel-Beschichtung bzw. an eine metallisches Glas erreicht.
  • Nach ähnlichen Gesichtspunkten wird ein Zugsensor mit stark elastooptischem Kernmaterial vorgesehen, bei dem die unter der Zugsapannung o auftretende Längenänderung zur Signale zeugung (Durchlaufen der Maxima IXmax und T max) und die Abhängigkeit an(a) der Doppelbrechung zur Absoluteichung benutzt wird. Wie bei allen übrigen vorgeschlagenen Sensoren wird auch hier die Bestimmung der Richtung der Parameteränderung ueber das Verhältnis Ixmax/I max 1 bewerkstelligt.
  • Schließlich wird noch ein Schallwellensensor (Hydrophon) vorgeschlagen. Dabei wird eine durch Biegung induzierte Anderung der Doppelbrechung eines geeignet gewählten Lichtwellenleiters genutzt. Diese Biegung wird erzeugt, wenn die Schallwelle den frei (an einem Ende) eingespannten oder auf eine geeeignete Membran gebondeten Resonator zu mechanischen Schwingungen anregt. Dabei ist die azimutale Lage des Resonators (Hauptachse) auf maximale Anderung der Wellenleiter-Doppelbrechung bei vorgegebener Einfallsrichtung der Schallwellen zu orientieren. Wegen der sehr geringen Masse des Resonators, speziell beim Einsatz einer Lichtleitfaser, liegen die Grenzfrequenzen eines solchen schwingenden Systems sehr hoch. Gewünschte Dämpfungseigenschaften sowie die Wahl des empfindlichen Frequenzbereichs können über eine geeignete Beschichtung des doppelbrechenden Wellenleiters eingestellt werden.
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  • - L e e r s e i t e -

Claims (10)

  1. Interferometrisches, eichbares Fabry-Perot-Sensorsystem mit doppel brechendem Monomode-Li chtwel 1 enl eiter PATENTANSPRÜCHE Optisches Sensorsystem zur Erfassung von von außen einwirkenden Zustandsgrößen, bestehend aus einer modulierbaren, mono-~chromatischen;ôder polychromatischen Lichtquelle, einer einwelligen, polarisationserhaltenden Zuleitung, einem als Fabry-Perot-Resonator aufgebauten, doppelbrechenden Lichtwellenleiter, einem Fotodetektor und einer Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungserkennung der Veränderung der zu messenden Zustandsgröße eindeutig ist und eine absolute Eichung möglich ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus einem Halbleiterlaser besteht, der in seiner Leistung mit fester oder variabler Frequenz moduliert wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus einem Dauerstrichlaser besteht, dessen monochromatisches Licht mit Hilfe eines integriert optischen Schaltkreises phasenmodul i ert wird.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle bei mehreren diskreten und stabilen Lichtwellen emittiert.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsignal in Transmission oder Reflektion oder einer Kombination von beiden gewonnen wird.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement aus einer doppelbrechenden Lichtleitfaser besteht, deren Endflächen senkrecht zur Faserachse stehen, optisch plan sind und mit hochreflektierenden dielektrischen oder metallischen Spiegeln versehen sind.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement aus einem integriert optischen, doppelbrechenden Lichtwellenleiter besteht, dessen Endflächen senkrecht zur Wellenleiterachse stehen, optisch plan sind und mit hochreflektierenden dielektrischen oder metallischen Spiegeln versehen sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter aus einem elektrooptischen oder magnetooptischen oder akustooptischen Material besteht und daher besonders zur Messung von elektrischen oder magnetischen oder akustischen Feldern geeignet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Eingangsseite des Sensorelements ein Polarisator und auf der Ausgangsseite ein Analysator aus einem dielektrischen Schichtsystem aufgebracht sind oder durch die polarisationsabhängigen Eigenschaften der aufgebrachten Spiegel realisiert werden.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Lichtleitfaser einen metallischen Mantel besitzt, der von einem Strom durchflossen werden kann.
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