DE4342783A1

DE4342783A1 - Frequenzkonversion am Auskoppelende von Lichtwellenleitern

Info

Publication number: DE4342783A1
Application number: DE19934342783
Authority: DE
Inventors: Georg Dr Hillrichs; Walter Dr Neu
Original assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Current assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Priority date: 1993-12-15
Filing date: 1993-12-15
Publication date: 1995-06-22

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung frequenzkonvertierter Strahlung nach dem Ober begriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von ultraviolettem oder infrarotem Licht am Austrittsende eines Lichtwellen leiters durch nichtlinear-optische Konversion des durch den Lichtwellenleiter übertragenen Lichtes.

Die Eigenschaften von Lichtwellenleitern, insbesondere die von Quarzglasfasern, sind stark abhängig von der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes. Die Dämpfung des Faser materials steigt mit abnehmender Wellenlänge λ in erster Linie durch Rayleighstreuung stark an (λ^-4). Darüberhinaus können einzelne Absorptionsbanden in bestimmten Wellen längenbereichen die Dämpfung stark erhöhen.

Im UV-Bereich entstehen außerdem Verluste durch die vom übertragenen Licht induzierte Bildung von Farbzentren im Quarzmaterial des Faserkernes. Diese Zentren führen zu einer zusätzlichen, teilweise irreversiblen Dämpfung (Alterungs effekte, Photodegradation).

Aus diesen Gründen ist die Führung von ultraviolettem Licht mit Problemen behaftet. Aufgrund der Dämpfung können nämlich je nach UV-Wellenlänge nur übertragungslängen von wenigen cm bis wenigen m erreicht werden.

Andererseits wird UV-Licht sehr oft, z. B. bei Fluoreszenz messungen an bestimmten Proben als Anregungswellenlänge benötigt. Experimente dieser Art können nach dem Stand der Technik nicht unter Einsatz der Glasfasertechnik durch geführt werden und unterliegen damit großen Einschränkungen.

Auf der anderen Seite des sichtbaren Spektralbereichs sind im Infrarotbereich für Wellenlängen größer als 2 µm eben falls keine Lichtwellenleiter mit brauchbaren Übertragungs eigenschaften erhältlich. Gerade in diesem Wellenlängen bereich gibt es Anwendungen z. B. für den absorptionsspek troskopischen Nachweis von bestimmten Molekülen in der Umweltanalytik oder in der Prozeßsteuerung, die durch faser optische Sensoren gelöst werden könnten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver fahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Vor teile der Glasfasertechnik auch für Anwendungen in solchen Spektralbereichen nutzbar gemacht werden können, für die bis jetzt keine geeigneten Lichtwellenleiter zur Verfügung stehen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine sehr kompakte Anordnung vorgeschlagen, die es erlaubt, ein fast beliebig weit von der Lichtquelle entferntes Teilvolumen einer zu analysierenden Probe mit Anregungslicht zu beleuchten. Die Probleme der Übertragung von UV- oder IR-Licht in Glasfasern werden dadurch umgangen, daß sichtbares Licht in der Glas faser weitgehend dämpfungsfrei übertragen und am Faserende durch eine kompakte optische Anordnung in UV- oder IR-Licht konvertiert wird.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Systems mit frequenzkonvertierter Strahlung am Ausgang des Lichtwellenleiters;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Anordnung für die Frequenzkonversion am Auskoppelende des Lichtwellen leiters.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines faseroptischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dar gestellt.

Eine Strahlungsquelle 1 emittiert ein Strahlungsbündel 4 im sichtbaren Spektralbereich, das durch ein an der Ausgangs seite der Strahlungsquelle 1 montiertes Koppelglied 1A in einen Lichtwellenleiter 2 eingekoppelt wird. Der Licht wellenleiter 2 ist an seinem anderen Ende mit einer optischen Konversionseinheit 3 verbunden, in der das Licht aus dem Lichtwellenleiter 2 ausgekoppelt und ein frequenz konvertiertes Strahlungsbündel 5 erzeugt wird.

Als Strahlungsquelle 1 können eine oder mehrere geeignete Strahlungsquellen im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich, z. B. Laserstrahlquellen, verwendet werden. Mehrere, von einander verschiedene Wellenlängen werden vor allem dann benötigt, wenn die gewünschte, konvertierte Strahlungs frequenz durch Summenfrequenz- oder Differenzfrequenzbildung konvertiert wird. Für eine Frequenzverdopplung reicht das Einkoppeln einer Wellenlänge, also die Verwendung einer Strahlungsquelle aus.

Ferner kann die Strahlungsquelle 1 im Dauerstrich- oder im Pulsbetrieb arbeiten. Da der Wirkungsgrad der Frequenzver dopplung proportional mit dem Quadrat der Strahlungs intensität ansteigt, empfiehlt sich jedoch meistens ein gepulster Betrieb, z. B. eines Nd:YAG-Lasers. Als Licht wellenleiter 2 kann z. B. eine Quarzglasfaser verwendet werden. Je nach Anwendung können Singlemode-Lichtwellen leiter oder Multimode-Lichtwellenleiter verwendet werden. Weiterhin können Stufenindex- oder Gradientenindex-Licht wellenleiter zum Einsatz kommen. Ferner kann ein polari sationserhaltender Lichtwellenleiter verwendet werden. Für eine optimale Einkopplung von Strahlung mit besonders hoher Intensität bieten sich Lichtwellenleiter mit einem trichter förmigen Einkoppelstück (Taperfaser) an. Gegebenenfalls kann auch die Verwendung von Bündeln von Lichtwellenleitern anstelle einzelner Lichtwellenleiter geeignet sein. Auch die Verwendung von Flüssigkeits-Lichtwellenleitern kann gegen über Glasfasern eine sinnvolle Alternative sein.

Der Lichtwellenleiter 2 ist an seinem distalen Ende mit einer optischen Konversionseinheit 3 verbunden, in der die aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelte sichtbare Strahlung frequenzkonvertiert wird. Aus der optischen Konversions einheit 3 tritt somit ein frequenzkonvertiertes Strahlungs bündel 5 aus.

In der Fig. 2 ist eine mögliche Ausführungsform der opti schen Konversionseinheit 3 in ihren Einzelheiten dar gestellt.

Die Einheit 3 weist eingangsseitig eine Lichtwellenleiter- Halterung 31 zur Aufnahme des Lichtwellenleiters 2 auf. Durch die Halterung 31 wird der Lichtwellenleiter 2 in das Innere der Einheit 3 geführt. Kurz hinter dem Halterung 31 endet der Lichtwellenleiter 2. Das sichtbare Licht tritt aus dem Lichtwellenleiter 2 aus und durchstrahlt eine Kollimationsoptik, deren Aufgabe es ist, die Strahlung zu kollimieren und auf einen Verdoppler-Kristall 35 zu fokussieren. Die Kollimationsoptik enthält eine kurzbrenn weitige Linse 32 zur Parallelisierung der divergenten Strahlung. Das Strahlungsbündel wird anschließend durch eine Plankonvexlinse 33 mit wenigen cm Brennweite auf den Ver doppler-Kristall 35 fokussiert. Zwischen den Linsen 32 und 34 kann ein Polarisator 33 zur Definition der Polarisations richtung vorgesehen sein. Der Verdoppler-Kristall kann z. B. ein BBO-(β-Bariumborat-)Kristall oder ein KDP-(Kalium- Dihydrogen-Phosphat-)Kristall sein. Hinter dem Verdoppler- Kristall 35 ist eine Linse 36 zur Parallelisierung des frequenzkonvertierten Lichts angebracht. Die Linsen 32, 34 und 36 können z. B. auch korrigierte Linsensysteme (z. B. sphärisch korrigierte Achromate) sein. Es können auch Zylinderlinsen zur Anpassung des aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichtes an den frequenzkonvertierenden Kristall verwendet werden. Auch die Verwendung von holographisch optischen Elementen oder Gradientenlinsen ist eine denkbare Alternative. Am Ausgang der Konversionseinheit 3 befindet sich ein optisches Filter 37, das nur das frequenzkonver tierte Licht hindurchläßt, die verbleibenden Anteile der Eingangsstrahlung hingegen unterdrückt. Am Ausgang erhält man also ein frequenzkonvertiertes Strahlungsbündel.

Der erzielbare Wirkungsgrad der Konversion hängt von den Eigenschaften der Strahlungsquelle 1 (Energie, Leistung, Bandbreite etc.) von den Eigenschaften des Lichtwellen leiters 2 (Single/Multimodefaser, Polarisationserhaltung, Brechzahl, numerische Apertur, Durchmesser etc.) und von dem nichtlinear-optischen Material, (z. B. Kristalltyp, Kristall schnitt, Geometrie etc.) ab. Diese Parameter sind an die jeweilige Anwendung anzupassen. Da die Übertragung sehr großer Laserenergien in geeigneten Spektralbereichen bei niedriger Grunddämpfung und ohne Alterungsprozesse des Lichtwellenleiters möglich ist, kann auch bei beschränktem Wirkungsgrad der Konversion für viele Anwendungen (z. B. Fluoreszenz-, Absorptions- oder Ramanspektroskopie in der faseroptischen Sensorik) eine genügend hohe Lichtintensität der gewünschten Wellenlänge generiert werden.

Bei Analyseverfahren der optischen Sensorik werden bestimmte optisch erfaßbare Parameter, wie z. B. die Fluoreszenz, gemessen, die Rückschlüsse auf bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften erlauben. Bei Messungen dieser Art hat man häufig das Problem, daß die Anregungsstrahlung, z. B. von einem Laser, nur ein eng umgrenztes und u. U. schwer zugängliches Teilvolumen einer zu analysierenden Probe beleuchten soll. In solchen Fällen setzt man im Stand der Technik erfolgreich Glasfasern ein, die zum einen sicht bare Strahlung hinreichend dämpfungsfrei führen können und zudem biegsam und flexibel sind, so daß deren Faserende an jeden beliebigen Meßort gebracht werden kann.

Eine beispielhafte praktische Ausführungsform zur Erzeugung von UV-Licht bei 266 nm am distalen Faserende wurde mit folgenden Eigenschaften realisiert:
Laserquelle: λ = 532 nm, gepulst, Pulsdauer 20 nsec, Pulsenergie 1 mJ am distalen Faserende
Lichtwellenleiter: Quarz, Kerndurchmesser 200 µm, 1 = 10 m, NA = 0.22
Optik: Achromat, f = 10 mm als Kollimator ggf. Polarisator zur Definition der Polarisationsrichtung
Frequenzverdoppelnder Kristall BBO 4 mm _* 4 mm _* 7 mm (B _* H _* L) Plankonvexlinse (f = 40 mm) zur Einkopplung des Lichtes in den Verdopplerkristall
Farbglasfilter zur Unterdrückung des verbleibenden Lichtes der Wellenlänge 532 nm.

Als eine mögliche Anwendung sei hier ein Beispiel aus der Umweltanalytik genannt - der fluoreszenzspektroskopische In-Situ-Nachweis von aromatischen Kohlenwasserstoffen z. B. in Gewässern mit einem faseroptischen Sensor. Geeignete Anregungswellenlängen liegen im UV-Bereich um 270 nm. Das Licht eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers (λ = 532 nm) wird in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt und zu dem Ort geführt, wo die Kontamination detektiert werden soll. Am distalen Ende des Sensors wird das Licht mit einer Optik nach Fig. 2 teilweise in UV-Licht der Wellenlänge 266 nm konvertiert. Das mit dieser Wellenlänge angeregte Fluoreszenzleuchten wird ebenfalls durch einen Lichtwellen leiter zu einem geeigneten Detektionssystem geführt und analysiert. So lassen sich Aussagen über Art und Konzen tration der Kontamination gewinnen, ohne daß Probenentnahme erforderlich ist.

Weitere Anwendungen können sich z. B. in der Lasermedizin bei der intrakorporalen Anwendung von Licht oder in der Mate rialbearbeitung ergeben.

Neben der in den Figuren gezeigten derzeit bevorzugten Ausführungsform sind noch andere Ausführungsformen denkbar.

Es kann z. B. als Strahlungsquelle ein sogenannter Faser laser verwendet werden, bei dem das Laserlicht direkt in der Faser erzeugt wird. Zu diesem Zweck könnte der Lichtwellen leiter in einem Abschnitt mit Seltenerdatomen dotiert sein. Auf diese Weise erspart man sich den Aufbau einer eigenen Laserstrahlungsquelle.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Frequenz konversion direkt in dem Lichtleiter durchgeführt. Zu diesem Zweck wird als Lichtwellenleiter eine Glasfaser verwendet und ein Endabschnitt der Glasfaser derart behandelt, daß nichtlinear-optische Eigenschaften erzeugt werden. Auch dies kann z. B. durch geeignete Dotierung erreicht werden.

Statt dessen könnte bei dieser Ausführungsform der Licht wellenleiter auch als Kanalwellenleiter ausgebildet sein.

Durch Kombination der letztgenannten Ausführungsformen erhält man ein integriert optisches Meßsystem auf Basis der Glasfasertechnik.

Als Konversionseinheit 3 kann auch ein monolithischer Resonator verwendet werden. Dabei handelt es sich um eine spezielle Ausführungsform des nichtlinear-optischen Kristalls, bei dem das aus dem Lichtwellenleiter austretende Licht eingestrahlt und durch Totalreflexion oder durch Reflexion an verspiegelten Kristallflächen auf einer langen, meist ringförmigen Strecke geführt und dabei teilweise frequenzkonvertiert wird. An einem Reflexionspunkt wird dann ein Teil des frequenzkonvertierten Lichtes ausgekoppelt.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung durch Frequenzkonversion, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem oder mehreren in einem Lichtwellenleiter (2) geführten Strahlungsbündeln (4) ein frequenzkonvertiertes Strahlungs bündel (5) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des frequenzkonvertierten Strahlungsbündels (5) im ultravioletten Spektralbereich liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des frequenzkonvertierten Strahlungsbündels (5) im infraroten Spektralbereich liegt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß aus einem Strahlungsbündel (4) mit einer bestimmten Strahlungsfrequenz ein frequenzkonvertiertes Strahlungsbündel (5) mit der doppelten Strahlungsfrequenz des Strahlungsbündels (4) erzeugt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß aus zwei Strahlungsbündeln (4) mit voneinander verschiedenen Strahlungsfrequenzen ein frequenzkonvertiertes Strahlungsbündel (5) mit der Summenfrequenz der Strahlungs bündel (4) erzeugt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß aus zwei Strahlungsbündeln (4) mit voneinander verschiedenen Strahlungsfrequenzen ein frequenzkonvertiertes Strahlungsbündel (5) mit der Differenzfrequenz der Strah lungsbündel (4) erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzkonvertierte Strahlungsbündel (5) außerhalb des Lichtwellenleiters (2) erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzkonvertierte Strahlungsbündel (5) innerhalb des Lichtwellenleiters (2) erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Strahlungsbündel (4) in außerhalb des Licht wellenleiters (2) befindlichen Strahlungsquellen (1) erzeugt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Strahlungsbündel (4) im Lichtwellenleiter (2) selbst erzeugt werden.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Lichtwellenleiter (2) zur Führung eines oder mehrerer Strahlungsbündel (4) und eine optische Konversionseinheit (3) zur Erzeugung eines frequenzkonvertierten Strahlungsbündels (5).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Konversionseinheit (3) ein nichtlinear optisches Material (35) enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlinear-optische Material (35) einen Verdoppler- Kristall enthält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Konversionseinheit (3) am Austrittsende des Lichtwellenleiters (2) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Konversionseinheit (3)
eine Linse (33) zur Parallelisierung des oder der aus dem Austrittsende des Lichtwellenleiters (2) austretenden Strahlungsbündel (4)
eine Linse (34) zur Fokussierung des oder der Strahlungsbündel (4) in den Verdoppler-Kristall (35) und
eine Linse (36) zur Parallelisierung des frequenz konvertierten Strahlungsbündels (5) enthält.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Konversionseinheit (3) holographisch-optische Elemente und/oder Gradientenlinsen enthält.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (33, 34, 36) Gradientenlinsen sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Konversionseinheit (3) entweder ein ent sprechend dotierter Abschnitt des Lichtwellenleiters (2) ist oder als Kanalwellenleiter ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine oder mehrere außerhalb des Lichtwellenleiters (2) befind liche Strahlungsquellen (1) zur Erzeugung des oder der Strahlungsbündel (4).

20. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (2) eine Strahlungsquelle (1) enthält und daß die Strahlungsquelle (1) ein entsprechend dotierter Abschnitt des Lichtwellenleiters (2) ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (2) eine Glasfaser ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (2) ein Multimode-Lichtwellen leiter ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (2) ein Singlemode-Lichtwellen leiter ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (2) polarisationserhaltend ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (2) eine Taperfaser ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (2) ein Bündel mehrerer Licht wellenleiter ist.