DE3932711A1 - Optischer stosswellensensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Stoßwellensensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei akustischen Stoßwellen, wie sie beispielsweise in der Litho­ tripsie verwendet werden, treten hohe Drücke bis etwa 10⁸ Pa mit Anstiegszeiten im Bereich von wenigen nsec auf. Die Messung solcher hohen Drücke erfordert Sensoren mit einer hohen mecha­ nischen Stabilität. Außerdem sollten diese Sensoren weitgehend miniaturisierbar sein, um die zu messende Stoßwelle möglichst wenig zu beeinflussen und auch für endoskopische Messungen ein­ setzbar zu sein.

Aus /1/ ist eine Meßanordnung bekannt, bei der der Anteil des an einem freien Lichtwellenleiterende reflektierten optischen Signals verwendet wird, um den zeitlichen Verlauf des Druckes von Ultraschall-Stoßwellen in einer Flüssigkeit zu messen. Bei dieser bekannten faseroptischen Meßanordnung wird ausgenutzt, daß die hohe Druckamplitude in unmittelbarer Nähe des Licht­ wellenleiterendes eine Dichteänderung und somit eine Änderung des Brechungsindex der Flüssigkeit erzeugt, die den Anteil des in den Lichtwellenleiter zurückreflektierten Lichtes moduliert. Die zur Messung verwendeten Lichtwellenleiter haben dabei einen Durchmesser, der 0,1 mm nicht überschreitet. Das freie, die Re­ flektivität der Grenzschichtflüssigkeit-Lichtwellenleiter be­ stimmende Ende wird durch eine ebene, senkrecht zur Lichtwel­ lenleiterachse stehende Stirnfläche gebildet. Durch die Klein­ heit dieser Stirnfläche wird eine für die Messung von fokussier­ ten Stoßwellen erforderliche hohe Ortsauflösung, geringe Rich­ tungsempfindlichkeit und hohe Bandbreite erzeugt. Die geringe Richtungsempfindlichkeit ist insbesondere bei endoskopischen Messungen von Vorteil, bei denen das freie Ende des Licht­ wellenleiters nicht auf die Einfallsrichtung der Stoßwelle ausgerichtet werden kann.

Aus /2/ ist ein faseroptisches Refraktometer bekannt, bei dem ebenfalls die vom Brechungsindex der, das freie Ende eines Lichtwellenleiters umgebenden Flüssigkeit abhängige Reflekti­ vität als Grundlage der Messung dient. Zur Empfindlichkeits­ steigerung ist bei diesem insbesondere für Batteriesäuredich­ temessungen vorgesehenen Refraktometer ein freies Ende des Lichtwellenleiters vorgesehen, das die Gestalt eines Rota­ tionskörpers mit gekrümmter, stetig verlaufender Hüllkurve hat.

Die mit dieser Gestaltung einhergehende, die Reflektivität der Grenzschicht Lichtwellenleiter/Flüssigkeit bestimmende Oberflä­ che, ist dabei um ein vielfaches höher als die ebene Stirn­ fläche einer stumpf abgeschnittenen Faser gleichen Durchmes­ sers. Eine hohe räumliche Ausdehnung der sensitiven Oberfläche läßt aber stets eine verschlechterte Ortsauflösung als auch eine Verringerung der Bandbreite erwarten, die einer erfolg­ reichen Anwendung bei der Messung von fokussierten Stoßwellen im Wege stehen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen optischen Stoßwellensensor anzugeben, der eine hohe Empfindlichkeit und eine günstige Leistungsbilanz mit einer befriedigenden Ortsauf­ lösung und Frequenzbandbreite verbindet.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merk­ malen des Hauptanspruches. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß bei einem mit diesen Merkmalen gestalteter Stoßwellensensor der zur Reflektivität beitragende wirksame Querschnitt sehr viel kleiner ist als der Lichtwellenleiter­ querschnitt, so daß auch bei der Verwendung von Lichtwellen­ leitern mit größerem Durchmesser trotz einer großen Oberfläche des freien Endes sowohl eine hohe Ortsauflösung als auch eine hohe Bandbreite erzielt wird. Gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform des optischen Stoßwellen­ sensors ergibt sich bei gleichem Faserquerschnitt eine Steige­ rung der Reflektivität der Grenzschicht um etwa den Faktor 40 und eine Empfindlichkeitsverbesserung um etwa den Faktor 20. Dadurch ist es möglich, bei gleicher Leistung der Lichtquelle die Verstärkung mit einem entsprechenden Gewinn an Bandbreite zu reduzieren. Da auch wesentlich weniger Licht in die umge­ bende Flüssigkeit ausgekoppelt wird, ist auch der Einfluß des Streulichtes in gleichem Maß verringert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der Unteransprüche.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 ein optischer Stoßwellensensor gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 2 zeigt ein besonders vorteilhaft gestaltetes freies Ende eine Lichtwellenleitars im Schnitt und in

Fig. 3 ist die bevorzugte Ausgestaltung eines für den Stoß­ wellensensor besonders geeigneten optischen Kopplers ebenfalls im Schnitt dargestellt.

Gemäß Fig. 1 ist ein Lichtempfänger 2, beispielsweise eine Fotodiode, und eine Lichtquelle 4, beispielsweise eine Laser­ diode, jeweils über Lichtwellenleiter 6 bzw. 8 und einem Kopp­ ler 10 mit einem Lichtwellenleiter 14 verbunden, der mit einem freien Ende 16 versehen ist. Das freie Ende 16 des Lichtwellen­ leiters 14 ist zur Messung in eine schalltragende Flüssigkeit 30 eingetaucht, in der sich die zu messenden Stoßwellen aus­ breiten.

Als Lichtwellenleiter 14 ist in einer bevorzugten Ausführungs­ form eine Faser aus Polymethylmethacrylat PMMA vorgesehen, deren Durchmesser zwischen 0,25 mm und 2 mm beträgt. Als Ma­ terialien für den Lichtwellenleiter sind auch Polycarbonat PC, Polystyrol PS oder Glas geeignet. In einem weiteren Aus­ führungsbeispiel ist eine 100/140µm Glasfaser mit einem Cladding vorgesehen.

Gemäß Fig. 2 ist das freie Ende 16 des Lichtwellenleiters 14 in Form eines Rotationskörpers derart gestaltet, daß seine in Richtung der Drehachse 18 gemessene Höhe h größer als der Radius r des Lichtwellenleiters 14 ist. Die Spitze S des freien Endes 16 ist der Schnittpunkt der Drehachse 18 mit der Ober­ fläche des Rotationskörpers. Im Bereich der Spitze S hat die Hüllkurve 22 des Rotationskörpers einen glatten, stetig differenzierbaren Verlauf. Der von der Spitze S des freien Endes 16 zur Mantelfläche 24 des Lichtwellenleiters 14 verlau­ fende Teil der Hüllkurve 22 läßt sich mathematisch durch ein Polynom 3. Grades

beschreiben, mit h = ar. Die Ordinate y wird durch die Dreh­ achse 18 gebildet und die Abszisse x liegt senkrecht dazu. In der durch die Stirnfläche des zylindrischen Teils des Licht­ wellenleiters 14 definierten Ebene. In einer bevorzugten Aus­ führungsform sind für den Parameter a Werte zwischen 1,5 und 2,5 vorgesehen.

Die durch die optimale Gestaltung des freien Endes des Licht­ wellenleiters verbesserte Leistungsbilanz läßt sich außerdem noch durch eine besonders verlustarme Gestaltung des Kopplers 10 gemäß Fig. 3 weiter verbessern. Der Koppler 10 ist dabei so gestaltet, daß ein möglichst hoher Anteil des am freien Ende reflektierten Lichtes zum Lichtempfänger gelangt. Dies ist im Ausführungsbeispiel der Figur dadurch erreicht, daß von einem auf einem stumpfe Koppelfläche 11 des Lichtwellenleiters 14 aufgebrachten Faserbündels die Mehrzahl der Fasern den zum Empfänger führenden Lichtwellenleiter 6 bilden, während bei­ spielsweise nur eine einzige Faser als Lichtwellenleiter 8 vorgesehen ist, mit dem die optische Verbindung zur Lichtquelle hergestellt wird. Diese unsymmetrische Gestaltung des Kopplers kann auch dadurch erreicht werden, daß die Lichtwellenleiter 14 und 6 durch eine einzige gemeinsame Faser gebildet werden, an deren Mantelfläche ein längs der Faser verlaufender Schlitz eingefräst ist, in die eine dünne zur Lichtquelle führende Faser 8 eingebettet werden kann.

Claims (7)

1. Optischer Stoßwellensensor, bei dem die Reflektivität des freien Endes (16) eines Lichtwellenleiters (14) als Grundlage für die Messung des Druckes, einer sich in einem dieses freie Ende umgebenden Flüssigkeit (30) ausbreitenden Stoßwelle vor­ gesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (16) des Lichtwellenleiters (14) die Ge­ stalt eines Rotationskörpers mit gekrümmter glatter Hüllkurve hat.

2. Optischer Stoßwellensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Schnittpunkt der Drehachse (8) des Rotationskörpers zur Mantelfläche (24) des Lichtwellenleiters (14) verlaufende Teil der Hüllkurve die Ge­ stalt eines Polynoms 3. Grades hat.

3. Optischer Stoßwellensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Polynom durch die mathematische Formel darstellen läßt, wobei der Parameter a die Bedingung 1,5a2,5 erfüllt.

4. Optischer Stoßwellensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtwellenleiter (14) aus Polymethylmetharylat PMMA vorgesehen ist.

5. Optischer Stoßwellensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Licht­ wellenleiters (14) zwischen 0,25 mm und 2 mm beträgt.

6. Optischer Stoßwellansensor nach einam der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Licht­ wellenleiter (14) aus einer 100/140µm Glasfaser mit einem Cladding vorgesehen ist.

7. Optischer Stoßwellensensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Koppler (10) vorgesehen ist, der das vom freien Ende (16) reflektierte Licht asymmetrisch auf die mit einem Lichtemfänger (2) und einer Lichtquelle (4) jeweils verbundenen Lichtwellenleiter (6 bzw. 8) verteilt, wobei die dem Lichtwel­ lenleiter (6) zugeführte Lichtintensität sehr viel größer ist als die dem Lichtwellenleiter (8) zugeführte Intensität.