DE60106094T2

DE60106094T2 - Monochromatoranordnung

Info

Publication number: DE60106094T2
Application number: DE60106094T
Authority: DE
Inventors: Sergei Popov
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: ATE278181T1; EP1362225B1; WO2002068918A1; DE60106094D1; JP2004525363A; US7130045B2; US20040071396A1; EP1362225A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf optische Monochromatoren, wie z.B. zur Verwendung in der Spektroskopie, in der Signalverarbeitung, in optischen Netzwerken und anderen Anwendungen der Nachrichtentechnik.
Stand der Technik
Der Begriff des Monochromators überdeckt eine breite Klasse von Vorrichtungen, die zur Produktion einer oder mehrerer monochromatischer Komponenten eines Breitbandeingangssignals entwickelt wurden. Ein optischer Monochromator wählt getrennte spektrale Komponenten aus einem optischen Breitbandsignal aus und ermöglicht die zuverlässige Registrierung dieser getrennten Komponenten mit Hilfe eines Detektors. Monochromatore können auch zur Wiedervereinigung spektraler Komponenten in ein Breitbandsignal verwendet werden. Die am besten bekannten Monochromatoren werten die Dispersions- oder Interferenzeigenschaften von Licht aus, das sich durch ein Material oder durch den Raum ausbreitet.
Dispersion tritt wegen der Abhängigkeit des Brechungsindex eines Materials von der Wellenlänge des Lichts ein, das sich durch das Material ausbreitet. Wenn Licht auf die Schnittstelle zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes einfällt, werden die spektralen Komponenten auf unterschiedliche Weise abhängig von ihrer Wellenlänge im Einklang mit dem Gesetz von Snellius gebrochen. Die unterschiedlichen Wellenlängen, die in einem Breitbandsignal enthalten sind, können daher durch die Ausbreitung durch ein streuendes Material räumlich getrennt werden. Dieser Effekt wird beim Entwurf von Dispersionsprismen verwendet.
Der auf dem Phänomen der Interferenz basierende Ansatz wird in den Vorrichtungen wie Beugungsgittern und regelmäßig angeordneten Hohlleitern zur Lichtbestimmung (AWG – arrayed waveguide gratings) verwendet. In diesen Vorrichtungen wird ein Interferenzmuster erzeugt, als ein Ergebnis der unterschiedlichen, von den verschiedenen Wellenlängenkomponenten in einem optischen Signal erfahrenen Phasenverschiebung. Durch die Gestaltung des Interferenzmusters als wahlweise fördernd oder zerstörend, können spezielle Wellenlängenkomponenten des optischen Breitbandsignals gezwungen werden sich, im Falle der Beugungsgitter in verschiedenen Raumbereichen auszubreiten, oder Im Falle der AWG's in den verschiedenen Armen eines Vielweg-Hohlleiters.
Vorrichtungen der oben beschriebenen Art, die optische Breitbandsignale spektral auflösen, werden in einem Bereich von Gebieten, wie in den Feldern Spektroskopie, Signalverarbeitung und optische WDM-Vernetzung verwendet, um nur einige zu nennen. Z.B. werden Dispersionsprismen und Beugungsgitter gewöhnlich für optische Spektralanalysatoren verwendet, während AWG's Schlüsselelemente in WDM-Multiplexern und Demultiplexern sind.
Es werden jedoch bei der Verwendung von Dispersionsprismen und Beugungsgittern in optischen Spektralanalysatoren komplexe Lösungen notwendig. Um eine gute Wellenlängenauflösung zu erreichen, müssen die Lichtwege lang sein. Dies impliziert entweder die Verwendung eines großen Volumenelements, d.h. eines Prismas, oder eines komplexen kaskadenförmigen Systems von Beugungsgittern. Beide Lösungen sind mechanisch relativ komplex und haben hohe Toleranzanforderungen. Sie haben gewöhnlich auch viele sich bewegende Teile und erfordern daher eine sorgfältige Behandlung und Wartung.
Eine wichtige Anforderung der AWG's ist die genaue Ausrichtung vieler Wellenlängen auf verschiedenen Lichtwegen. Diese Ausrichtung, die die notwendige Phasenverschiebung für die verschiedenen Wellenlängen liefert, erfordert ebenfalls strikte Toleranzanforderungen, wenn sie bei einer Änderung der Umgebungstemperatur korrekt arbeiten soll. Da das optische Eingabesignal gleichzeitig in viele Wellenlängen aufgespaltet wird, erleiden die AWG's zusätzlich einen beachtlichen Eingabeverlust.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile der Vorrichtungen des Stands der Technik zu überwinden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, spektrale Komponenten eines optischen Breitbandsignals, zuverlässig zu isolieren und/oder wieder zu vereinigen, und nicht komplex und relativ kompakt ist.
Die obigen Aufgaben werden in einer monochromatischen Anordnung gemäß der beanspruchten Erfindung erfüllt. Speziell hat die Anordnung einen Körpers mit Rotationssymmetrie, der aus einem streuendem Medium besteht. In seiner einfachsten Form ist der Körper ein Zylinder mit einer ununterbrochenen Außenwand und zwei ebenen Endoberflächen. Die Außenwand kann jedoch alternativ vielfache Oberflächen enthalten und damit einen vieleckigen Querschnitt besitzen. Der Körper bildet einen mehrfach reflektierenden Hohlraum, in dem ein optisches Breitbandsignal, das in den Hohlraum durch eine ebene Endoberfläche mit einem Einfallswinkel zur äußeren Wand einfällt, intern wiederholt von der äußeren Wand total reflektiert wird. Zumindest ein Ausgangspunkt wird in der äußeren Wand zur Verfügung gestellt, um einer spektralen Komponente des optischen Breitbandsignals zu erlauben auszutreten.
Sobald Licht durch eine der ebenen Oberflächen in den Körper einfällt und auf die äußere Wand trifft, wird es im Wesentlichen einen schraubenförmigen Weg durch den Hohlraum beschreiben. Mit Hilfe dieser Anordnung wird der Ausbreitungsweg innerhalb des streuenden Mediums verlängert. Deshalb kann eine starke räumliche Trennung der Spektralkomponenten, abhängig von den verschiedenen Graden der Brechung beim Eintritt in das Medium, in einem relativ kleinen und kompakten Gebiet erzielt werden.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine monochromatische Anordnung zur Wiedervereinigung von Wellenlängenkomponenten in ein optisches Breitbandsignal. Die Anordnung besitzt einen Körper mit Rotationssymmetrie um eine Achse, der aus einem streuenden Medium besteht. Er hat eine Außenwand, die sich parallel zur Achse ausdehnt und zumindest eine ebene Endoberfläche. Die Außenwand kann kontinuierlich sein oder vielfache Oberflächen und daher einen vieleckigen Querschnitt besitzen. Der Körper bildet einen mehrfach reflektierenden Hohlraum, in dem Licht in den Hohlraum an ausgewählten Stellen durch die äußere Wand gelenkt wird, so dass es intern an der äußeren Wand total reflektiert wird und im wesentlichen einen schraubenförmigen Ausbreitungsweg beschreibt und den Körper an einer definierten Stelle in der ebenen Oberfläche verlässt. Bevorzugt wird Licht an verschiedenen Stellen in der äußeren Wand unter Verwendung von Lasern in den Körper eingekoppelt.
Der Monochromator gemäß der Erfindung kann daher sehr kleine Dimensionen haben, die eine kompakte und leichte Vorrichtung zur Folge haben. Die Anordnung kann einfach hergestellt werden. Sie besitzt auch einen geringen Eingangsverlust und erfordert, bedingt durch die Vermeidung mechanischer beweglicher Teile, keine Feinjustierung oder besonders sorgfältige Behandlung.
Wenn die Vorrichtung zur Isolation spektraler Komponenten verwendet wird, ist es durch die Auswahl des Einfallswinkels an der äußeren Wand des Körpers möglich, das Signal zu zwingen mehr als einmal entlang einer Linie parallel zur Achse an der äußeren Wand einzufallen. Mit anderen Worten, der Strahl wird an demselben radialen Punkt in der äußeren Wand an verschiedenen Windungen der Spirallinie reflektiert werden. Dementsprechend können verschiedene spektrale Komponenten bequem aus dem Körper an derselben radialen Position an der äußeren Wand ausgekoppelt werden, jedoch an verschiedenen axialen Orten entsprechend den verschiedenen Windungen des schraubenförmigen Weges. Ähnlich werden in der Wiedervereinigungsvorrichtung getrennte optische Signale, die aus verschiedenen Wellenlängen des Lichtes bestehen, bevorzugt in den Körper entlang einer parallel liegenden Linie zur Achse eingekoppelt.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungen ersichtlich, die in Form eines Beispieles mit Bezug auf die beiliegenden Abbildungen gegeben werden. Wobei in den Abbildungen die
1 schematisch die Struktur eines Monochromators im Einklang mit der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 schematisch die Ausbreitung des Lichtes innerhalb eines kreisförmigen umschlossenen Hohlraumes darstellt,
3a, 3b und 3c schematisch verschiedene Ausbreitungsmodi innerhalb eines umschlossenen Hohlraumes mit Rotationssymmetrie darstellen,
4 schematisch eine Seitenansicht des Monochromators der 1 beschreibt und dabei die Ausbreitungswege der spektralen Komponenten zeigt, und
5 schematisch eine Anordnung eines Monochromators beschreibt, der zur Wiedervereinigung spektraler Komponenten angepasst ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die 1 zeigt einen Monochromator im Einklang mit der vorliegenden Erfindung. Der Monochromator hat einen Körper 1, der eine Rotationssymmetrie um eine Achse 10 besitzt und durch zwei ebene Oberflächen 20 begrenzt ist, die senkrecht zur Achse 10 liegen. Eine äußere Wand 30, die die bei den ebenen Oberflächen 20 des Körpers 1 verbindet, ist um die Achse 10 rotationssymmetrisch. In seiner einfachsten Form ist der Körper 1 ein Zylinder mit der äußeren Wand 30, wie in 1 dargestellt, die kontinuierlich ist und einen kreisförmigen Querschnitt besitzt, wobei jedoch die äußere Wand 30 mehrfache Oberflächen enthalten kann.
Der Körper 1 bildet im wesentlichen einen mehrfach reflektierenden Hohlraum, in dem sich in das Medium des Körpers 1 eingefallenes Licht durch interne totale Reflektion um die äußere Wand ausbreitet. Der Körper besteht aus irgend einem streuenden Material, das für die optische Strahlung von Interesse durchlässig ist. Es wird so ausgewählt, dass es einen Brechungsindex besitzt, der höher ist als das umgebende Medium. Geeignete Materialien schließen schwere Gläser und Gläser aus Quarz mit ein.
Ein Monochromator mit dieser Struktur ist durch die Verwendung der Effekte der totalen internen Reflektion und der Materialstreuung wirksam. Genauer gesagt wird ein Lichtstrahl, wie in 1 dargestellt, der durch die gestrichelte Linie L beschrieben wird, in den Körper durch eine der ebenen Oberflächen 20 geleitet und wird beim Eintritt in den Körper 1 gebrochen, im Einklang mit dem relativen Brechungsindex des den Körper 1 bildenden Materials zu dem des Mediums außerhalb des Körpers. Wie schematisch in 1 dargestellt, koppelt eine Eingangsanordnung 60 Licht mit einem gewünschten Winkel in den Körper 1. Diese Anordnung kann eine Zahl verschiedener Formen annehmen, die dem Fachmann wohl bekannt sind. Während der geringste Eingangsverlust erreicht wird, wenn Licht aus der Luft in den Körper 1 gekoppelt wird, können andere Medien benutzt werden. Zum Beispiel wird in 1 eine Glasfaser- oder Hohlleiterstruktur dargestellt, die an den Körper 1 in der gewünschten Richtung hingeschmolzen ist. Ein solcher Hohlleiter hat vorzugsweise einen geringeren Brechungsindex als der Körper, um den Eingangsverlust zu reduzieren, jedoch ist es auch möglich, da der Einfallswinkel gewöhnlich kleiner ist als der kritische Winkel, einen Hohlleiter mit einem höheren Brechungsindex als dem des Körpers 1 zu verwenden.
Der einfallende Strahl ist ein Breitbandsignal mit verschiedenen Wellenlängen der Komponenten. Beim Eintritt in den Körper 1, wird daher der Strahl als ein Ergebnis der Abhängigkeit der Wellenlänge vom Brechungsindex gestreut. Um der Klarheit Willen wird der einfallende Strahl in 1 in drei einzelne Lichtstrahlen getrennt gezeigt. Es ist jedoch klar, dass der Strahl tatsächlich als Resultat der Streuung verbreitert wird. Der gestreute Lichtstrahl wird dann wiederholt intern an der äußeren Wand 30 des Körpers 1 reflektiert. Dies schließt natürlich mit ein, dass der Einfallswinkel des Strahles auf die äußere Wand 30, d.h. der Einfallswinkel in der Ebene des einfallenden und reflektierten Strahles, für alle Wellenlängen des Lichtes größer ist als der für das Medium kritische Winkel im und um den Körper 1 herum. Das Licht beschreibt einen annähernd schraubenförmigen Weg, sich dabei allmählich von der ebenen Einfallsoberfläche 20 fortbewegend, da es um die äußere Wand herum reflektiert wird, die den Hohlraum begrenzt. Unterschiedliche Wellenlängen innerhalb des optischen Signals werden unterschiedlichen Graden der Brechung unterzogen. Das Ergebnis ist daher eine Verbreiterung des Strahles, wobei unterschiedliche Wellenlängen getrennten annähernd schraubenförmigen Ausbreitungswegen folgen.
Entlang der äußeren Wand 30 des Körpers 1 sind Ausgänge 40 angeordnet, zur Auskopplung der unterschiedlichen spektralen Komponenten aus dem Körper 1, die innerhalb des Hohlkörpers getrennt wurden. Wie in 1 gezeigt, ist an jedem Ausgang 40 ein Photodetektor 50 oder eine ähnliche Vorrichtung zur Erkennung und Messung der Intensität der Strahlungsenergie positioniert, um das Signal entsprechend der ausgewählten Frequenz zu registrieren. Die Ausgänge 40 sind lokalisierte Bereiche, die entworfen sind, um die totale interne Reflektion des einfallenden Strahls zu zerstören. Dies kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Bevorzugt wird jedoch die Platzierung eines Materials mit höherem Brechungsindex am Punkt des Interesses. Dieses Material kann z.B. ein kleiner Fleck eines Klebstoffes mit den geeigneten Materialeigenschaften sein. Ein anderes Verfahren zum Auskoppeln des Lichtes aus dem Körper 1 an einem Ausgang 40 ist es, einen Oberflächeneinschnitt, Kerbe oder Kratzer an der Oberfläche der äußeren Wand 30, zur Verfügung zu stellen, um den Reflektionswinkel zu ändern.
Die Arbeitsweise des Monochromators wird nun mit Bezug auf die Abbildungen 2 bis 4 erklärt werden.
Die Ausbreitung von Licht in geschlossenen Hohlräumen mit Rotationssymmetrie kann mit Hilfe der Fraktaloptik beschrieben werden. 2 beschreibt den Körper 1 der 1, gesehen aus einer der ebenen Oberflächen 10. In der dargestellten Ausführung bildet die äußere Wand 30 einen Zylinder, so dass der eingeschlossene Hohlraum, dargestellt durch die Endansicht des Körpers 1, kreisförmig mit dem Radius R ist. Jedoch gilt die folgende Beschreibung in gleicher Weise auch für geschlossene Hohlräume mit anderen Formen, die Rotationssymmetrie besitzen. In 2 fällt ein Lichtstrahl, der durch die Linie L repräsentiert wird, und durch die äußere Wand in den geschlossenen Hohlraum tritt, auf die Hohlraumwand mit einem Winkel α ein. Dieser Winkel α ist die Komponente des Einfallswinkels, gemessen in einer Ebene senkrecht zur Körperachse 20, und wird der Klarheit wegen im weiteren als der ebene Einfallswinkel α bezeichnet. Es ist klar, dass der reale Einfallswinkel, d.h. der Winkel, der in der Ebene des einfallenden und reflektierten Strahles liegt, größer sein muss, als der kritische Winkel für die Schnittstelle zwischen dem Hohlraum und dem umgebenden Medium. Es ist bekannt, dass ein Lichtstrahl, der in einen abgeschlossenen, kreisförmigen, mit einem Medium gefüllten Hohlraum eintritt, sich entlang eines Weges ausbreitet, der ein Vieleck bildet, das in dem Kreis eingeschlossen ist, der durch die Wand 30 des Hohlraumes definiert wird. Abhängig von diesem ebenen Einfallswinkel α, kann sich das von dem Strahl beschriebene Vieleck selbst schließen, d.h. nach dem Startpunkt auf dem Kreis nach einer einzelnen Rotation, nach einigen (N) Rotationen, oder es kann sich niemals schließen. Diese drei unterschiedlichen Modi der Ausbreitung innerhalb des Hohlraums werden in den Abbildungen 3a, 3b bzw. 3c dargestellt. Im Einklang mit der Fraktaloptik wird der Ausbreitungsmodus innerhalb eines solchen Hohlraumes durch das Verhältnis der Rotationszahl des Vielecks N zur totalen Anzahl der Reflektionen M innerhalb des Hohlraumes bestimmt. Wenn das Verhältnis N/M eine ganze Zahl ist, schließt sich das Vieleck selbst nach N Rotationen in der Ebene senkrecht zur Achse 10 des Zylinders. Das Verhältnis M/N bezieht sich mit dem folgenden Ausdruck auf den ebenen Einfallswinkel α: α = π/2 – M/N × π.
Jetzt zur 4, in der eine Seitenansicht des Körpers 1 der 1 gezeigt wird, mit der schematischen Darstellung des Ausbreitungsweges eines einfallenden Lichtstrahls. Der Körper 1 besteht aus einem Material mit einer Wellenlänge, die vom Brechungsindex, repräsentiert durch n(λ), abhängt. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass der Brechungsindex des den Körper 1 umgebenden Mediums 1 ist, so dass der Brechungsindex des Körpers n(λ) äquivalent zum relativen Brechungsindex des Körpermediums zum umgebenden Medium ist. Wenn der Lichtstrahl in die ebene Oberfläche 20 unter einem Winkel γ eintritt und auf die äußere Wand 30 trifft, breitet er sich entlang eines im wesentlichen schraubenförmigen Weges aus. Die Neigung der Spirale hängt vom Eingangswinkel γ ab. Beide, der einfallende und reflektierte Strahl liegen in derselben Ebene, die parallel zur Achse 10 des Zylinder ist. Darüber hinaus fällt die Schnittlinie zwischen der Einfallsebene und der ebenen Oberfläche 20 mit der Projektion einer Sehne des Vieleckes zusammen (siehe die Abbildungen 3a bis 3c), das vom sich ausbreitenden Strahl aufgezeichnet wurde. Falls der einfallende Strahl verschiedene Wellenlängen enthält, werden diese unter verschiedenen Winkeln β in der Einfallsebene als Folge des höheren Brechungsindex n(λ) des Körpers 1 gebrochen. Das Resultat ist eine gestreute Spirale oder ein Spiralenbündel, das aus verschiedenen getrennten angenäherten Spiralen mit unterschiedlichen Neigungen besteht, die von jeder Wellenlängenkomponente aufgezeichnet wird. Die angenäherten Spiralen, die dieses Spiralenbündel bilden, fallen auf die äußere Wand an derselben radialen Position ein, streuen aber in der axialen Richtung. Die Auflösung zwischen den spektralen Komponenten steigt fortschreitend entlang des Ausbreitungsweges an, da sich das Spiralenbündel verbreitert.
Es ist möglich Licht aus dem Körper 1 an jedem Reflektionspunkt an der äußeren Wand 30 auszukoppeln, vorausgesetzt, dass die spektrale Auflösung an diesem Punkt genügt, um die Wellenlänge oder Wellenlängen des Interesses zu isolieren. Mit anderen Worten, der Ausgang 40 kann an jedem Punkt um die äußere Wand 30 herum platziert werden, entsprechend den Reflektionspunkten, die in den 3a, 3b und 3c gezeigt werden. Für die Anwendungen, in denen die Verzögerung zwischen verschiedenen Wellenlängen auf ein Minimum gehalten werden muss, z.B. im Falle von einigen Wellenlängenmultiplex- (WDM) Kommunikationsanwendungen mit hoher Geschwindigkeit, müssen verschiedene spektrale Komponenten im wesentlichen an demselben Punkt entlang des Spiralenbündels isoliert werden. In diesem Fall müssen die das Spiralenbündel bildenden Wellenlängen des Interesses an der äußeren Wand an einer Position einfallen, die voneinander genügend entfernt ist, um die Positionierung der erforderlichen Anzahl von axial angeordneten Photodetektoren 50 zu ermöglichen.
Für Anwendungen, in denen ein Verzug zwischen den unterschiedlichen spektralen Komponenten nicht kritisch ist, wie z.B. die reine Isolation spezieller Wellenlängen, ist es klar, dass jede Wellenlänge an einem unterschiedlichen Punkt entlang der gestreuten Spirale aus dem Körper 1 ausgekoppelt werden kann. Dies kann natürlich durch die Lokalisierung der Ausgänge und Photodetektoren an verschiedenen radialen Positionen an der äußeren Wand 30 erreicht werden. Jedoch wird sich dadurch, dass die Auswahl des ebenen Einfallswinkel α so erfolgt, dass das Verhältnis M/N eine reale Zahl ist und diese Zahl klein ist, das durch das Spiralenbündel beschriebene Vieleck selbst mehrmals entlang des Weges der Spirale schließen, wobei jedes dieser Schlusspunkte in einer geraden Linie parallel zur Achse 10 liegt. Mit anderen Worten, der ebene Einfallswinkel α wird so ausgewählt, dass das optische Signal mehr als einmal an zumindest einer Linie an der äußeren Wand 30 reflektiert wird, die parallel zur Achse 10 liegt. Ein Feld von axial angeordneten Ausgängen 40 und entsprechenden Photodetektoren 50 kann dann an der geforderten radialen Position an der äußeren Wand 30 angeordnet werden, um die verschiedenen Wellenlängen aus dem Körper 1 an verschiedenen Windungen des Spiralenbündels auszukoppeln. Die ist in der Anordnung der Abbildungen 1 und 4 dargestellt, worin die Größe M/N 1 ist, so dass verschiedene Wellenlängen an aufeinander folgenden Windungen der Spirale aus dem Körper 1 ausgekoppelt werden.
Als ein Resultat der Streuung an irgendeinem radialen Schlusspunkt des Spiralenbündels, werden unterschiedliche Wellenlängen oder "Farben" an der äußeren Wand 30 mit einem anderen Abstand, bezeichnet als "Z", von der ebenen Oberfläche 20 einfallen. Für jede Komponentenwellenlänge des Breitbandsignals wird die axiale Position eines Schlusspunktes relativ zur ebenen Oberfläche 20, Z, durch folgende Beziehung beschrieben: Z = 2 × R × N × sin(M/N × n) × tan(π/2 – β),wobei der Brechungswinkel β vom Verhältnis des Brechungsindex n(λ) (oder besser vom relativen Brechungsindex) des Körpermaterials abhängt, welches der Reihenfolge nach von der Wellenlänge des Lichtes abhängt, entsprechend dem Gesetz von Snellius.
Das Prinzip eines Monochromators wurde im Einklang mit der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf einen zylindrischen Körper 1 beschrieben. Während ein Zylinder die einfachste Form eines Körpers mit Rotationssymmetrie ist, wird es jedoch anerkannt werden, dass die äußere Wand 30 alternativ aus vielen Oberflächen bestehen kann, so dass sie einen Querschnitt eines Vieleckes hat. In diesem Fall wird die Ordnung des Vieleckes bevorzugt in Verbindung mit den Winkeln α und β ausgewählt, um sicherzustellen, dass das Verhältnis N/M eine ganze Zahl ist.
Durch die Führung eines einfallenden Strahles in eine Spirale unter Verwendung eines abgeschlossenen Hohlraums, der durch die äußere Wand des Körpers definiert ist, kann der Ausbreitungsweg in einer sehr kompakten Vorrichtung genügend verlängert werden, um eine zuverlässige Trennung der Wellenlängen zu liefern. Es wird aus der obigen Beschreibung und speziell der 4 klar, dass, je größer der Einfallswinkel γ ist, desto kleiner ist die Neigung des schraubenförmigen Ausbreitungsweges, während ein kleinerer Einfallswinkel γ eine größere Auflösung an der äußeren Wand 30 zur Folge hat, bei einer gleichen Entfernung entlang des Ausbreitungsweges. Es wird außerdem anerkannt werden, dass der Einfallswinkel γ nicht so groß sein sollte, und folglich die Neigung des Spiralenbündels so klein, dass die Teile des Strahlenbündels sich bei aufeinander folgenden Windungen überlappen, obwohl ein bestimmter Anteil von Überlappung toleriert werden kann, vorausgesetzt sie betrifft nicht die Wellenlängen des Interesses. Die optimale Anordnung sollte natürlich als eine Funktion der am Körpermaterial und auch in der speziellen Anwendung in Frage stehenden Wellenlängen des Lichtes ausgewählt werden. Z.B. war es möglich, Wellenlängen im nahen Bereich der Infrarotstrahlung zuverlässig zu trennen, d.h. zwischen etwa 1 und 1.5 μm, unter Verwendung eines zylindrischen Körpers 1, aus Quarz basierendem Glas, umgeben von Luft mit einem Brechungsindex von etwa 2, mit einem Durchmesser von zwischen 1 und 2 cm und einer Länge von zwischen 5 und 10 cm und der Verwendung eines Einfallswinkels γ von etwa 60° und eines Einfallswinkels α von mindestens 70°.
Die Struktur des mit Bezug auf die Abbildungen 1 bis 4 beschriebenen Monochromators kann auch dazu verwendet werden, nahe zusammen liegende Teile eines Spektrums in ein optisches Breitbandsignal zusammen zu fügen. Eine solche Anordnung wird schematisch in der 5 gezeigt. Diese in 5 gezeigte Vorrichtung enthält einen Körper 1, der substantiell derselbe ist, wie der in den Abbildungen 1 bis 4 gezeigte, und gleiche Teile werden deshalb mit gleichen Referenzziffern bezeichnet. Die Struktur unterscheidet sich von der schon beschriebenen Vorrichtung durch die Lieferung der Lichtquellen 70, die angepasst wurden, um Licht mit verschiedenen Wellenlängen zu führen oder zu erzeugen. Diese Lichtquellen 70 können z.B. Laser sein und sind angrenzend zur äußeren Wand 30 positioniert, so dass das Licht mit einem Einfallswinkel in den Körper gekoppelt wird, der das Licht verursacht, sich auf einem im Wesentlichen schraubenförmigen Weg zur ebenen Oberfläche 20 auszubreiten. Es ist klar, dass der Einfallswinkel für jede getrennte spektrale Komponente abhängig von der Wellenlänge etwas unterschiedlich sein wird, so dass jede Komponente einem schraubenförmigen Weg mit der geforderten Steigung folgen wird. Der Eingangspunkt jeder spektralen Komponente ist identisch zum Ausgang für dieselbe spektrale Komponente in der in 1 dargestellten Vorrichtung positioniert. Die im wesentlichen schraubenförmigen Wege, beschrieben von jeder getrennten spektralen Komponente, werden sich graduell hin zur ebenen Oberfläche 20 einander nähern, bis sie an einem Punkt des Austritts in der ebenen Oberfläche 20 zusammen fallen. Eine geeignete Führungsanordnung oder Vorrichtung zur Registrierung ist in dem Weg des austretenden Breitbandsignals platziert.
Dieselben Betrachtungen mit Bezug auf die Verzögerungen zwischen den individuellen Schmalbandsignalen sind natürlich richtig, wenn diese Signale kombiniert werden. Dies kann durch Kopplung der verschiedenen spektralen Komponenten in den Körper 1 mit in der Hauptsache demselben Abstand von der ebenen Oberfläche 20 minimiert werden, d.h. einer solchen Windung des Spiralenbündels. Wenn etwas Verzögerung zwischen den verschiedenen Wellenlängenkomponenten toleriert werden kann, wird der Ausbreitungsweg der Signale vorzugsweise so gewählt, dass das Verhältnis N/M eine kleine ganze Zahl ist, so dass die verschiedenen Wellenlängen in den Körper entlang einer Linie parallel zur Körperachse 10 gekoppelt werden.

Claims

Eine Monochromatoranordnung zur Trennung von zumindest einer spektralen Komponente aus einem optischen Breitbandsignal, mit einem Körper (1) besitzt, der aus einem streuendem Medium hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Körper Rotationssymmetrie um eine Achse (10) besitzt und einen geschlossenen mehrfach reflektierenden Hohlraum bildet, der von einer äußeren Wand (30) begrenzt wird, die sich parallel mit der Achse ausdehnt und sie umgibt, wobei dieser Körper weiterhin eine ebene Endoberfläche (20) senkrecht zu dieser Achse enthält, um den Eintritt eines optischen Breitbandsignals in den Hohlraum zu erlauben, mit einem Einfallswinkel zur äußeren Wand (30), so dass dieses optische Signal intern total reflektiert wird und einen hauptsächlich schraubenförmigen Weg innerhalb des Körpers beschreibt, und mit zumindest einem Ausgang (40) für eine spektrale Komponente an einem Ort an der äußeren Wand (30), der einem Punkt der totalen inneren Reflektion entspricht, um einen Austritt einer spektralen Komponente eines optischen Breitbandsignals aus dem Hohlraum zu erlauben.
Eine Anordnung wie in Anspruch 1 beansprucht, gekennzeichnet durch eine Eingangsanordnung (60) zur Führung eines optischen Breitbandsignals in den Hohlraum durch die ebene Oberfläche (20) mit einem Einfallswinkel zur äußeren Wand (30), so dass das Signal intern total reflektiert wird.
Eine Anordnung wie in Anspruch 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Eingangsanordnung eingerichtet ist, um das optische Signal mit einem Einfallswinkel zur äußeren Wand (30) zu leiten, so dass das optische Signal zumindest zweimal auf die äußere Wand auf zumindest einer Linie (30) parallel zur Achse (10) liegend einfällt.
Eine Anordnung wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper verschieden Ausgänge enthält, wobei die Ausgänge an der äußeren Wand auf der zur Achse (10) parallel verlaufenden Linie angeordnet sind.
Eine Anordnung wie in jedem vorhergehenden Anspruch beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper hauptsächlich zylindrisch ist.
Eine Anordnung wie in jedem vorhergehendem Anspruch beansprucht, gekennzeichnet durch einen jedem Ausgang angrenzend angeordneten Photodetektor (50), um Licht aus dem Körper 1 zu empfangen.
Eine Anordnung wie in jedem vorhergehendem Anspruch beansprucht, gekennzeichnet durch Mittel zur lokalen Zerstörung der totalen internen Reflektion eines optischen Signals, das sich durch den Körper (1) ausbreitet, angebracht an jedem Ausgang.
Eine Anordnung wie in jedem vorhergehendem Anspruch beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang eine lokalisierten Bereich mit einem Material besitzt, das einen höheren Brechungsindex hat, als das Material des Körpers (1), angeordnet an der äußeren Oberfläche (30).
Eine Anordnung wie in jedem vorhergehendem Anspruch beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang einen äußeren Einschnitt in der äußeren Oberfläche (30) des Körpers (1) besitzt, der ausgerichtet ist, um den Reflexionswinkel der äußeren Körperoberfläche zu ändern.
Ein Verfahren zur Isolation zumindest einer spektralen Komponente aus einem optischen Breitbandsignal, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Lieferung eines Körpers (1), hergestellt aus streuendem Material und mit einer Rotationssymmetrie um die Achse (10), mit einer äußeren Wand (30), die sich parallel zu dieser Achse ausdehnt und einer ebenen Oberfläche (20) senkrecht zu dieser Achse, ein optisches Breitbandsignal in den Körper durch die ebene Oberfläche mit einem Einfallswinkel zur äußeren Wand (30) leitend, so dass das Signal wiederholt intern an der äußeren Wand (30) total reflektiert wird und einen hauptsächlich schraubenförmigen Ausbreitungsweg beschreibt, und zumindest eine spektrale Komponente aus dem Körper an einem Ort des Einfalls des Signals an der äußeren Wand auskoppelnd.
Ein Verfahren wie in Anspruch 10 beansprucht, gekennzeichnet durch die Auswahl des Einfallswinkels auf die äußere Wand (30), so dass das Signal zumindest zweimal auf zumindest eine mit der Achse (10) parallel liegenden Linie auf der äußeren Wand einfällt, und durch die Kopplung des Signals aus dem Körper an mehr als einem Ort auf dieser Linie.
Eine Anordnung zur Kombination zumindest zweier optischer Schmalbandsignale in ein optisches Breitbandsignal, die einen aus einem streuendem Material hergestellten Körper (1) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper Rotationssymmetrie um eine Achse (10) besitzt und einen abgeschlossenen mehrfach reflektierenden Hohlraum bildet, der durch eine äußere Wand (30) begrenzt wird und sich parallel zur Achse ausdehnt und sie umgibt, und dieser Körper enthält weiterhin eine ebene Endoberfläche (2) senkrecht zur Achse, um den Austritt eines optischen Breitbandsignals zu erlauben, in dem zumindest zwei optische Schmalbandsignalquellen (70) an Positionen relative zu dem Körper (1) angeordnet sind, so dass Licht aus den Quellen in den Körper durch die äußere Wand (30) gekoppelt wird und intern an der äußeren Wand total reflektiert wird, um hauptsächlich schraubenförmige Wege zu beschreiben, die beim Austreten aus der ebenen Oberfläche (20) zu einem optischen Breitbandsignal konvergieren.
Eine Anordnung wie in Anspruch 12 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) hauptsächlich zylindrisch ist.
eine Anordnung wie in Anspruch 12 oder 13 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen in einer geraden Linie mit der Achse (10) des Körpers (1) aufgestellt sind.
Eine Anordnung wie in jedem der Ansprüche 12 bis 14 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen Laser sind.
Ein Verfahren zu Kombination von zumindest zwei optischen Schmalbandsignalen in ein Breitbandsignal, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Lieferung eines Körpers (1), hergestellt aus streuendem Material und mit einer Rotationssymmetrie um eine Achse (10), mit einer äußeren Wand (30), die sich parallel zur Achse ausdehnt und einer ebenen Oberfläche (20) senkrecht zur Achse, optische Schmalbandsignale an verschiedenen Orten durch die äußere Wand in den Körper mit einem Einfallswinkel zur äußeren Wand (30) leitend, so dass die Signale wiederholt intern an der äußeren Wand (30) reflektiert werden und hauptsächlich schraubenförmige Ausbreitungswege beschreiben, die an der ebenen Oberfläche (20) konvergieren.
Ein Verfahren wie in Anspruch 16 beansprucht, gekennzeichnet durch die Leitung der optischen Schmalbandsignale durch die äußere Wand (30) auf einer Linie parallel zur Achse (10).