DE4121583A1 - Verfahren und anordnung zur bildung eines mikrophones - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung eines Mikrophones und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Anspruch 1.

Die Mikrophone des Standes der Technik beruhen vorzugsweise auf Pie­ zo- oder Electro-Basis und zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus, verfügen jedoch über einen beschränkten Dynamikumfang. Auch ist eine Steigerung der Empfindlichkeit kaum mehr möglich, da bei erhöhter Empfind­ lichkeit zunehmend Störgeräusche nicht mehr unterdrückt werden können. Die Mikrophone des Standes der Technik mit elektrischer Signalaufnahme haben aufgrund der inhärenten Kapazitäten und Induktivitäten nur eine sehr beschränkte Übertragungsbandbreite und können zudem nicht dort eingesetzt werden, wo eine hohe elektromagnetische Störsicherheit gefordert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Realisierungen dieses Verfahrens aufzuzeigen, durch die die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden können und so ein Mikrophon erhalten wird, das nicht nur einen hohen Dynamikumfang und eine große Bandbreite im Infrabis Ultraschallbereich aufweist, sondern außerdem noch ein hohe Störgeräuschunterdrückung und eine hohe EM-Festigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele erläu­ tert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß dem vorge­ schlagenen Verfahren in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels in schematischer Darstellung.

Der allgemeine Erfindungsgedanke bei dem nachfolgend beschriebenen Verfah­ ren ist darin zu sehen, daß durch Schalldruck eine Frequenzmodulation eines Festkörperlaser verursacht wird, so daß eine akustische Welle umgesetzt wird in ein optisches, frequenzmoduliertes bzw. frequenzcodier­ tes Signal. Durch kohärente Überlagerung dieses frequenzmodulierten Signals mit einem Referenzsignal ist es möglich, eine Zwischenfrequenz im Bereich von einigen Kilohertz bis zu einigen hundert MHz zu erhalten. Da die Lage der Zwischenfrequenz insbesondere von der Intensität des Signales abhängig ist, wird durch eine geeignete Filterung die Ausblendung von starken Signalen aus der Umgebung des Mikrophones erzielt. Durch weiteres Heruntermischen der Zwischenfrequenz mittels eines Hochfrequenzoszillators und eines Mischers wird eine Zwischenfrequenz erhalten, welche proportio­ nal der akustischen Anregungsfrequenz moduliert ist. Durch eine weitere Filterung hinter diesem Mischvorgang wird der Frequenzbereich des ge­ wünschten Signals eingeengt.

Laserdiodengepumpte Festkörperlaser sind an sich bekannt, insbesondere solche, die im sogenannten Einfrequenzbetrieb bei ausgesprochen schmaler Bandbreite und hoher Kohärenzlage arbeiten. Auch durch die Anmelderin ist aus der P 40 34 237.9-52 ein solcher laserdiodengepumpter Festkörperlaser bekanntgeworden, dessen Frequenz durch die Temperatur des Lasermediums sowie der Resonatorlänge bestimmt wird. Eine Frequenzmodulation des Lasers kann insbesondere durch eine Modulation der Resonatorlänge erfolgen, was in vorliegendem Verfahren und seinen Anordnungen zur Durchführung dessel­ ben beachtet wird.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 zeigt eine Laserdiode 1, die beispielsweise über eine Koppeloptik 2 ein einseitig verspiegeltes Lasermaterial 3 pumpt, demgegenüber ein Resonatorspiegel 4 beweglich aufgehängt ist, was dadurch realisierbar ist, daß der Laserspiegel aus einer entsprechend verspiegelten, dünnen Membran besteht, die durch Wechselwirkung mit akustischen Wellen ausgelenkt wird, so daß es möglich ist, mittels der akustischen Welle die Frequenz der austretenden Laserstrahlung 5 zu verändern. Bereits kleinste Auslenkungen führen zu relativ hohen Frequenz­ änderungen, wobei einer Auslenkung von 1 µm einer Frequenzänderung von <30 GHz bei 8 mm Resonatorlänge bzw. <300 GHz bei 0,8 mm Resonatorlänge entspricht. Die Anordnung, wie sie schematisch in Fig. 1 veranschaulicht ist, ist somit in der Lage, empfindlich auf akustische Schwingungen zu reagieren, wobei die Amplitude des Lasersignals unverändert bleibt und lediglich eine Änderung der Laserfrequenz auftritt.

Überlagert man nun dieses frequenzmodulierte Signal mit dem Signal eines unmodulierten Referenzlasers R1 - beispielsweise durch Mischung innerhalb einer Glas- bzw. Lichtleitfaserweiche 6 und Detektion mittels einer Standard-Fotodiode 7 am Ende der Weiche - so tritt dort eine Frequenz­ mischung derart auf, daß insbesondere eine Differenzfrequenz λ_ref- λ_mod als elektrisches Ausgangssignal an der Detektordiode 7 zur Verfügung steht. Das Signal liegt hierbei im Frequenzbereich von einigen kHz bis einigen hundert MHz. Die absolute Frequenz des Differenzsignals ist bestimmt durch die Amplitude der akustischen Welle. Die Zwischenfre­ quenz selbst variiert periodisch mit der Frequenz der akustischen Anre­ gungswelle. Mittels eines der Detektordiode 7 nachgeschalteten Frequenz­ filters 8 ist es somit leicht möglich, den gewünschten Empfindlichkeitsbe­ reich des Lasermikrophones einzustellen und insbesondere starke Nebenge­ räusche zu unterdrücken. Diese Nebengeräusche liegen in sehr großem Frequenzabstand zum Signalgeräusch geringer Intensität, so daß diese Unterdrückung mit äußerster Präzision erfolgt.

Dem nun so ausgefilterten Hochfrequenzsignal kann man nun beispielsweise ein mittels eines Hochfrequenzgenerators 9 erzeugtes Hochfrequenzsignal in einem Mischer 10 beimischen, so daß man als Zwischenfrequenz ein Signal geringerer Frequenz erhält, dessen Frequenzvariation jedoch nun der Frequenzvariation des akustischen Signals entspricht. Wenn nötig, kann an dieser Stelle eine Frequenzfilterung 11 eine Einschränkung der Signalband­ breite durchführen, so daß auch hier eine Selektion störender Frequenzan­ teile aus dem Signal stattfinden kann. Eine Demodulation des frequenzmodu­ lierten Signales in einem FM-Demodulator 12 führt schließlich zu einem elektrischen Signal am Ausgang der Anordnung, welches direkt - gegebenen­ falls über einen Verstärker 13 - an den Lautsprecher 14 gegeben wird. Die erste Zwischenfrequenzerzeugung geschieht optisch unter Berücksichtigung eines Referenzlasersignales, die zweite und dritte Frequenzmischung bzw. Demodulation geschieht elektrisch gemäß den Standardtechniken aus der Rundfunk- und Phonotechnik.

Wie bereits erwähnt, führen auch Temperaturänderungen am Ort des Laser­ kristalls zu einer Frequenzmodulation des Lasersignales. Dies wird dadurch kompensiert, daß der Pumplichtstrahl beispielsweise mittels einer Glasfa­ serweiche 31 derart aufgeteilt wird, daß er das laseraktive und einseitig verspiegelte Medium 34 über zwei Fokussieroptiken 32 und 33 an zwei Stellen durchläuft. Das Medium wird also an zwei unterschiedlichen Stellen optisch gepumpt. Weiterhin werden auf der gegenüberliegenden Seite des aktiven Mediums zwei Resonatorspiegel so angebracht, daß der eine Resona­ torspiegel 35 leicht beweglich gelagert ist und das akustische Signal aufnimmt. Der andere Resonatorspiegel 36 ist jedoch starr mit dem Laser­ kristall verbunden, beispielsweise durch Anbringung eines starren Plätt­ chens mit entsprechender Spiegelschicht.

Somit werden zwei Laserstrahlen im gleichen Medium erzeugt, von denen einer frequenzmoduliert ist und zwar durch das akustische Signal sowie entsprechender thermischer Änderungen im Kristallmedium. Der andere Laserstrahl - der Referenzstrahl - jedoch erfährt eine Modulation nur durch eventuelle thermische Änderungen im Medium. Verwendet man nun diesen Referenzstrahl zur Erzeugung der Differenzfrequenz, so werden die thermi­ schen Schwankungen automatisch ausgeglichen, da diese Modulation ebenso im Referenzsignal vorhanden ist und nicht als Differenzfrequenz auftreten kann. Der große Vorteil dieser Maßnahmen ist darin zu sehen, daß kein zweiter Referenzlaser zur Frequenzmischung benötigt wird.

In dem in Fig. 2 skizzierten Ausführungsbeispiel, wird eine Glasfaser­ weiche 31 in Form eines "X" verwendet sowie ein Lasermedium, dessen Flächen 41 bis 44 so verspiegelt sind, daß die Flächen 41 und 42 hochre­ flektierend für die Laserwellenlänge sind, die Fläche 43 antireflektierend für diese Laserwellenlänge ist und die Fläche 44 antireflektierend für die Pumplichtwellenlänge und teilreflektierend für die Laserwellenlänge ist. Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, über diese Weiche das Licht einer einzigen Laserdiode 1 zum Pumpen der beiden räumlich getrennten Resonator­ moden 38a und 39a aufzutrennen und außerdem das Laserlicht 38b und 39b des Festkörperlasers 34 wieder durch diese Faserweiche 31 zu leiten, worin es sich zur Erzeugung des Differenzsignales mischt. An dem offenen Ende der Weiche 31 ist eine Detektordiode 45 angeordnet.

Eventuelle Einwirkungen von Erschütterungen auf das Lasersignal können durch ein zusätzliches Filter eliminiert werden, das alle jene Frequenzen ausfiltert, die den Resonanzfrequenzen des mechanischen Aufbaus ent­ sprechen.

Da insbesondere Laser mit ausgesprochen kleiner Resonatorlänge im Ein­ frequenzbetrieb arbeiten - wie beispielsweise aus der Druckschrift P 40 39 455.7-33 der Anmelderin hervorgeht, kann ein solches - in der Fig. 2 skizziertes - Lasermikrophon mit etwa 5×5×20 mm Platzbedarf für ein Gehäuse konzipiert werden. Die Laserdiodenstrahlung wird über die Lichtleitfaserweiche extern herangeführt. Ebenso kann die Detektordiode und die Elektronik mit einem Raumbedarf von etwa 10×10×5 cm für das Gehäuse vom eigentlichen Mikrophonkopf getrennt angeordnet werden.

Durch die vorstehend aufgezeigten Maßnahmen ist nun gegenüber dem Stand der Technik ein Mikrophon geschaffen, das eine besonders hohe Empfindlich­ keit aufweist, da bereits geringste Auslenkungen durch schwache akustische Wellen zu sehr großen Frequenzänderungen des Ausgangssignales führen, ohne daß die Intensität des Ausgangssignales dadurch beeinflußt wird. Weiterhin ist der Dynamikbereich sehr groß, da die Frequenzmodulation im Bereich optischer Wellen stattfindet, so daß der gesamte Schallbereich vom In­ fra- bis zum Ultraschall detektierbar ist, was ein sehr vielfältiges Anwendungsfeld ermöglicht. Da gleichzeitig eine Umsetzung des Amplituden­ signals in ein Frequenzsignal mit sehr hoher Bandbreite erfolgt, ist es möglich, den Empfindlichkeitsbereich des Mikrophones so zu filtern, daß beispielsweise nur schwache Signale die Filterung passieren, starke Signale dagegen vollständig unterdrückt werden. Dies ist bisher nicht möglich gewesen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bildung eines Mikrophones hohen Dynamikumfanges, dadurch gekennzeichnet, daß ein Festkörperlasersystem (10) durch Schalldruck in seiner Frequenz moduliert wird, wobei eine akustische Welle in ein optisches, frequenzmoduliertes Signal umgesetzt und durch eine kohärent optische Überlagerung dieses Signals mit einem Referenzla­ sersignal eine Zwischenfrequenz erhalten wird, die proportional der akustischen Anregungsfrequenz moduliert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der Zwischenfrequenz nach der kohärenten optischen Überlagerung eine Frequenzfilterung erfährt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzlasersignal im gleichen optisch aktiven Medium (Laser­ kristall) erzeugt wird wie das optische, frequenzcodierte Signal.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im gleichen optisch aktiven Medium zwei Laserstrahlen erzeugt werden, wovon einer durch das akustische Signal und thermische Änderun­ gen im Kristallmedium frequenzmoduliert ist und der andere als Referenz­ strahl zur Erzeugung der Differenzfrequenz dienende Laserstrahl nur durch die thermischen Änderungen im Medium moduliert ist.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine einfallende akustische Welle ein beweglich aufgehängtes und als Laserspiegel beschichtetes Medium auslenkt, so daß ein dieses Medium als Resonatorspiegel verwendendes Lasersystem in seiner Laserfrequenz moduliert wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der beweglich aufgehängte Resonatorspiegel (4) als dünne, verspiegelte Membran ausgebildet ist, die durch die akustische Welle ausgelenkt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überlagerung des frequenzmodulierten Signals mit dem Signal des unmodulierten Referenzlasers (R1) eine Lichtleitfaserweiche (6) und eine Fotodetektordiode (7) angeordnet ist.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotodetektordiode (7) ein Frequenzfilter (8) zugeordnet ist.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Zwischenfrequenz dem ausgefilterten Hochfre­ quenzsignal ein weiteres mittels eines Hochfrequenzgenerators (9) erzeugtes Hochfrequenzsignal in einem Mischer (10) beigegeben wird.

10. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektrischen Nutzsignals am Lautsprecher (14) ein FM-Demodulator (12), gegebenenfalls mit Ver­ stärker (13) angeordnet ist.

11. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtleitfaserweiche (31) zur Teilung des Pumplichtstrahles angeordnet ist, der an jedem Ausgang eine Fokus­ sieroptik (32 und 33) zugeordnet ist.

12. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaserweiche (31) in Form eines "X" ausgebildet ist, und ein Lasermedium verwendet wird, dessen Endflächen (41 bis 44) so verspiegelt sind, daß die Flächen (41) und (42) hochreflektierend für die Laserwellenlänge sind, die Fläche (43) hierfür antireflektierend und die Fläche (44) antireflektierend für die Pumplicht-Wellenlänge und teilreflektierend für die Laserwellenlänge.

13. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von mechanischen Erschüt­ terungen auf das Lasersignal ein Filter angeordnet ist, das den Reso­ nanzfrequenzen des mechanischen Gerätegrundaufbaus angepaßt ist.