DE4401145C1

DE4401145C1 - Method for measuring refractive index profile

Info

Publication number: DE4401145C1
Application number: DE19944401145
Authority: DE
Inventors: Guenter Schoeppe
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1994-01-17
Filing date: 1994-01-17
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2014-01-18
Also published as: JPH07218430A

Abstract

The invention relates to a method for measuring the refractive index profile in preferably macroscopic objects, in particular preforms for optical fibres, and a shearing interferometer for carrying out the method, having the following procedural steps: - making a thin section of defined thickness, - making a section edge on the thin section along the line of the refraction coefficient profile of interest, - introducing the thin section into an immersion liquid having a refractive index which essentially corresponds to the average refractive index of the thin section, - sampling along the section edge by means of a shearing interference microscope, - in known fashion, determining the position-dependent refraction coefficient from the position-dependent path difference of the formed double images of the section edge, the thickness of the thin section and the refraction coefficient of the immersion medium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Brechungsindexverlaufes in vorzugsweise makroskopischen Objekten, insbesondere in Preforms für Lichtleitfasern.The invention relates to a method for measuring the refractive index curve in preferably macroscopic objects, especially in preforms for optical fibers.

Bei der Optimierung des Herstellungsvorganges von Lichtleitfasern ist die Messung der Brechungsindexverteilung an einer großen Zahl von Preforms erforderlich. Diese Messungen müssen sowohl im Forschungsfeld als auch im fertigungsnahen Raum mit hoher Zuverlässigkeit und Effektivität ausgeführt werden.The measurement is in the optimization of the manufacturing process of optical fibers the refractive index distribution required on a large number of preforms. These Measurements must be made both in the research field and in the production-related area be carried out with high reliability and effectiveness.

Bekannte technische Lösungen erfordern entweder einen hohen präparativen Aufwand und erhebliche Aufwände zur Sicherung von Umgebungsbedingungen, wenn die Untersuchungen mit Interferometern mit ungestörter Referenzwelle durchgeführt werden (Mireau- bzw. Michelson- Interferometer).Known technical solutions require either a high preparative effort and considerable effort to secure Ambient conditions if the investigations with interferometers with undisturbed reference wave (Mireau or Michelson Interferometer).

Bei diesen Interferometern ist zwar die lückenlose Durchmusterung des gesamten Querschnittes möglich, jedoch ist es äußerst aufwendig, das erforderliche Leerpräparat so herzustellen, daß ein von Dispersions- und Temperatureinflüssen freies Messen des Präparates möglich ist. Außerdem sind diese Interferometer sehr erschütterungsempfindlich, so daß aufwendige Vorkehrungen getroffen werden müssen, um sie im fertigungsnahen Raum anwenden zu können. Im "Handbuch der Mikroskopie", Verlag Technik Berlin 1973, S. 283 ist die Ermittlung der Brechzahl des Kerns einer ummantelten Glasfaser nach dem Shearing-Verfahren dargestellt. Dieses Meßmethode ist nur bis ca. 1/10 mm Faserdicke anwendbar und für Preforms und andere größere Objekte nicht geeignet.With these interferometers there is a complete survey of the whole Cross-section possible, but it is extremely expensive, the required Manufacture empty preparation so that one of dispersion and temperature influences free measurement of the preparation is possible. In addition, these interferometers are very sensitive to vibrations, so that expensive precautions are taken to be able to use them in the production-related area. In "Handbuch der Mikoskopie", Verlag Technik Berlin 1973, p. 283, the Determination of the refractive index of the core of a coated glass fiber after Shearing procedure shown. This measuring method is only up to approx. 1/10 mm Fiber thickness applicable and not suitable for preforms and other larger objects.

Ein Shearing-Interferenzmikroskop ist weiterhin in US 4391516 beschrieben
Wenn die Brechzahl aus Reflexionswerten gemessen werden soll, ist neben dem hohen Aufwand bei der Präparation eine hochgenaue Intensitätsmessung erforderlich.A shearing interference microscope is also described in US 4391516
If the refractive index is to be measured from reflection values, a high-precision intensity measurement is required in addition to the high effort involved in preparation.

Weiterhin müßte die zu untersuchende Fläche optisch poliert werden. Reflexionsunterschiede in der Größenordnung von 0,01% bei ca. 4,2% mittlerem Reflexionsgrad müßten sicher differenziert werden können oder die Endflächen der Preforms müßten sorgfältig bearbeitet werden, wenn man aus der Funktion der Preforms auf die Brechzahlverteilung schließen will. Dazu wird Licht mit definierter Konvergenz in die Preform eingeleitet und die Lichtverteilung hinter der Austrittsfläche gemessen. Aus dem Verhalten des austretenden Lichtes wird dann auf die Brechzahlverteilung im Stab geschlossen.Furthermore, the surface to be examined would have to be optically polished. Reflection differences in the order of 0.01% at approx. 4.2% medium Reflectance should be able to be differentiated or the end faces of the preforms would have to be carefully machined when looking out wants to deduce the function of the preforms from the refractive index distribution. This will Light with defined convergence introduced into the preform and the light distribution measured behind the exit surface. From the behavior of the emerging light the refractive index distribution in the rod is then concluded.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, den präparativen Aufwand und die Anforderungen an die Umgebungsbedingungen bei der Messung des Brechzahlverlaufes möglichst gering zu halten. Dennoch soll der Brechzahlverlauf wählbar genau ermittelt werden können.The invention is based on the task, the preparative effort and the Requirements for the environmental conditions when measuring the To keep the refractive index history as low as possible. Nevertheless, the course of the refractive index should selectable can be determined exactly.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. According to the invention, the object is achieved by the characterizing features of FIG. Claim solved. Preferred further developments are in the subclaims described.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das mit einem Shearinginterferometer ausgeführt wird, besteht also darin, daß ein von den Endflächen des Objektes, insbesondere eines Preforms gewonnener Dünnschnitt (20-30 µm Dicke) auf der Linie, auf der der Brechzahlverlauf ermittelt werden soll, derart geschnitten wird, daß eine Schnittkante entlang der Linie des interessierenden Brechzahlverlaufes entsteht, wobei bei Preforms die Schnittkante durch radialen Schnitt erzeugt wird, der Dünnschnitt in ein Medium der mittleren Brechzahl des Objektes eingebettet wird und die Gangunterschiede, entlang der Schnittlinie gemessen werden. Aus dem ortsabhängigen Gangunterschied, der (einheitlichen) Dicke des Schnittes und der Brechzahl des Einbettungsmediums wird die ortsabhängige Brechzahl des Objektes in bekannter Weise berechnet.The method according to the invention, which is carried out with a shearing interferometer, is that one of the end faces of the object, especially a preform obtained thin section (20-30 µm thick) on the line on which the Refractive index curve is to be determined, is cut such that a cutting edge along the line of the refractive index curve of interest arises, with preforms the cutting edge by radial cutting is generated, the thin section in a Medium of the average refractive index of the object is embedded and the gait differences are measured along the cutting line. From the location-dependent path difference, the (uniform) thickness of the cut and the Refractive index of the embedding medium becomes the location-dependent refractive index of the object calculated in a known manner.

Mit dieser Präparation und kommerziell erhältlichen technischen Ausrüstungen lassen sich so unter Verwendung einer Anpassungssoftware automatische Messungen des Brechzahlverlaufes von Preforms durchführen.With this preparation and commercially available technical equipment can be automated using an adjustment software Carry out measurements of the refractive index curve of preforms.

Dazu wird ein Shearinginterferometer, das zur Durchführung des zeitlichen Heterodynverfahrens ausgerüstet ist, (z. B. Jenamap, ZEISS) mit einem Scanningtisch ergänzt, auf dem der Dünnschnitt der Preform mit der Schnittkante etwa senkrecht zur Shearrichtung und etwa parallel zu einer Scanningrichtung ausgerichtet ist.For this purpose, a shearing interferometer is used to carry out the temporal Is equipped with a heterodyne process (e.g. Jenamap, ZEISS) Scanning table added, on which the thin section of the preform with the cut edge approximately perpendicular to the shear direction and approximately parallel to a scanning direction is aligned.

Scanning-Verfahren an sich sind beispielsweise im "Handbuch der Mikroskopie", Verlag Technik Berlin 1973, S. 372-374, 605 beschrieben.Scanning methods themselves are described, for example, in the "Handbook of Microscopy", Verlag Technik Berlin 1973, pp. 372-374, 605.

Über den PC, der das Heterodynverfahren steuert und die Meßwerte verarbeitet, wird wechselweise die Messung und ein Scan-Schritt ausgelöst. Die Ergebnisse der Einzelmessungen werden durch das Programm lückenlos aneinander gefügt, so daß der Brechzahlverlauf, wie gewünscht, ermittelt werden kann.Via the PC that controls the heterodyne process and processes the measured values the measurement and a scan step are triggered alternately. The results of the The program seamlessly joins individual measurements so that the refractive index curve can be determined as desired.

Shearinginterferometer erzeugen vom Objekt zwei lateral versetzte Bilder und haben den Vorteil, daß sie mit sog. Selbstreferenz arbeiten, d. h., die beiden Doppelbilder werden zur Interferenz gebracht. Dadurch erspart man die aufwendige Präparation eines Leerobjektes, Umwelteinflüsse wirken sich sowohl im Referenz- als auch im Objektbild aus, so daß derartige Interferometer unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und Erschütterungen sind. Diese Eigenschaften gestatten ein effektives Arbeiten auch in relativ rauher Umgebung.Shearing interferometers generate two laterally offset images of the object and have the advantage that they work with so-called self-reference, d. that is, the two double images are brought to interference. This saves the time-consuming preparation of an empty object, environmental influences affect both the reference and Object image, so that such interferometers are insensitive to Temperature fluctuations and shocks are. These properties allow effective work even in relatively harsh environments.

In Fig. 1 ist schematisch ein verfahrensgerecht präparierter Dünnschnitt 1 der Preform dargestellt, wobei die Dicke stark überhöht ist.In Fig. 1, a method of prepared meet thin section of the preform 1 is shown schematically, wherein the thickness is greatly exaggerated.

Fig. 2 zeigt den Prüfling 1 (Dünnschnitt) in Immersionsmittel 2 eingebettet und mit einem Deckglas 3 abgedeckt. Fig. 2 shows the test specimen 1 (the thin-section) in the immersion means 2 embedded and covered with a cover glass 3.

Fig. 3 zeigt schematisch das Interferenzbild, wie es sich im Mikroskop darstellt. Der zur Auswertung herangezogene Bereich 20 im Kamerafeld 19 beinhaltet die Meßpunkte 21 für die Umgebung sowie 22 für die Probe 1. Fig. 3 schematically shows the interference pattern, as it appears under the microscope. The area 20 used for the evaluation in the camera field 19 contains the measuring points 21 for the surroundings and 22 for the sample 1 .

Fig. 4 zeigt die Wellenfronten zu den im Shearingverfahren sichtbaren beiden Objektbildern a und b, die in Shearrichtung versetzt sind, und die sich ergebende, im Mikroskopbild sichtbare Differenzwellenfront c mit den Gebieten c1, c2, in denen der Objektgangunterschied gemessen werden kann. Fig. 4 shows the wave fronts of the at Shearingverfahren visible two object images a and b which are offset in the direction of shear, and the resulting visible in the microscope image difference wavefront c with the areas c1, c2, in which the object path difference can be measured.

Fig. 5 zeigt die schematische Anordnung einer Ausrüstung für das Verfahren. Darin stellt 4 das Beleuchtungssystem eines Mikroskopes dar. Am Mikroskop ist ein Scanningtisch 5 befestigt, der über ein nicht dargestelltes Interface durch den PC 10 angesteuert wird. Fig. 5 shows the schematic arrangement of equipment for the method. 4 shows the illumination system of a microscope. A scanning table 5 is attached to the microscope and is controlled by the PC 10 via an interface (not shown).

In Fig. 6 ist schematisch ein Meßergebnis dargestellt.A measurement result is shown schematically in FIG .

Im Mikroskop ist jeweils nur ein kleines Gebiet 19 am Doppelbild der Schnittkante zu sehen. Durch die Verschiebung des Scanningtisches erscheinen schrittweise alle Bereiche der Schnittlinie einmal auf der Kamera.Only a small area 19 can be seen in the microscope in each case on the double image of the cutting edge. By shifting the scanning table, all areas of the cutting line appear step by step on the camera.

Das Objektiv 6 bildet das auf dem Scanningtisch angeordnete Objekt 1 durch ein Shearingintereferometer 7 hindurch auf eine Kamera 9 ab. Das Grundprinzip eines Shearing-Interferometers ist beispielsweise im "Handbuch der Mikroskopie", Verlag Technik Berlin, 1973, S. 273 ff, dargestellt.The objective 6 images the object 1 arranged on the scanning table through a shearing interferometer 7 onto a camera 9 . The basic principle of a shearing interferometer is described, for example, in the "Handbuch der Mikoskopie", Verlag Technik Berlin, 1973 , pp. 273 ff.

Die Phasenzustände des Interferometers werden zur Durchführung des zeitlichen Heterodynverfahrens durch einen Phasenshifter 8, der ebenfalls über ein nicht dargestelltes Interface vom PC 10 angesteuert wird, geändert. Die Kamera 9 überträgt die Bildinformationen in den PC10. Das Bild wird auf dem Kameramonitor 11 dargestellt.The phase states of the interferometer are changed to carry out the temporal heterodyne method by a phase shifter 8 , which is also controlled by the PC 10 via an interface (not shown). The camera 9 transfers the image information to the PC10. The image is displayed on the camera monitor 11 .

Der PC berechnet nach bekannten Algorithmen (Phase-Shift-Verfahren) den Gangunterschied an der Schnittkante des Objektes, aus dem über die Schnittdicke und die Umgebungsbrechzahl die Brechzahl des jeweils gemessenen Schnittbereiches errechnet wird.The PC calculates the according to known algorithms (phase shift method) Path difference at the cutting edge of the object, from which on the cutting thickness and the surrounding refractive index is the refractive index of the measured one Cutting area is calculated.

Die Ergebnisse der nacheinander gemessenen Schnittbereiche werden aneinander gereiht und entweder auf dem PC-Monitor 12 oder dem Drucker 15 wiedergegeben, wie in Fig. 6 dargestellt. Im Gebiet 18 ist die Brechzahl des Immersionsmittels 2, im Gebiet 16 die des Mantels und im Gebiet 17 die sich verändernde Brechzahl des Kerns dargestellt.The results of the successively measured cutting areas are lined up and displayed either on the PC monitor 12 or on the printer 15 , as shown in FIG. 6. The refractive index of the immersion agent 2 is shown in region 18 , that of the cladding in region 16 and the changing refractive index of the core in region 17 .

Die Bezugszeichen 13 und 14 stellen zur Bedienung erforderlichen Einheiten Tastatur und Mouse dar.The reference numerals 13 and 14 represent the keyboard and mouse units required for operation.

Claims

1. Method for measuring the course of the refractive index in preferably macroscopic objects, in particular in preforms for optical fibers, characterized by the following method steps:

- Creation of a thin section of defined thickness
Creating a cut edge on the thin section along the line of the refractive index curve of interest,
- Inserting the thin section into an immersion liquid with a refractive index that corresponds essentially to the average refractive index of the thin section
- Scanning using a shearing interference microscope along the cutting edge
- Determination of the location-dependent refractive index from the location-dependent path difference of the generated double images of the cut edge, the thickness of the thin section and the refractive index of the immersion medium.

2. The method according to claim 1, characterized in that the thin section of the end faces of a preform and the cut edge radial cut is generated.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized by a thin section thickness of 20-30 µm.