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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines optischen Elements, insbesondere eines interferometrischen
Sensors, und auf ein durch dieses Verfahren hergestelltes optisches
Element.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren
zur Herstellung eines optischen Elements, das vorteilhaft in interferometrischen
Sensoren vom Fabry-Perot- und Fizeau-Typ verwendet werden kann,
die für
hochauflösende Messungen
von Temperatur, Dichte, Druck, mechanischer Belastung, mechanischer
Schwingung, akustischen Wellen und Magnetfeldern sowie zur Messung der
z. B. thermischen, elektrischen, magnetischen, chemischen, mechanischen
usw. Eigenschaften von Materialien eingesetzt werden.
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Fabry-Perot-Interferometer
umfassen bekannterweise außer
einer Lichtquelle und einem Fotodetektor auch einen transparenten
Hohlraum, der durch zwei ebene, parallele, reflektierende Oberflächen definiert
wird (zumindest eine davon reflektiert nur teilweise, damit Licht
aus dem Hohlraum gelangen kann) und seinerseits einen Hohlraumresonator für das von
der Lichtquelle ausgestrahlte Licht definiert.
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Fabry-Perot-Interferometer
werden je nach der Art der durchzuführenden Messung in verschiedenen
Konfigurationen hergestellt.
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Bei
einer bekannten Konfiguration sind die Enden einer ersten und einer
zweiten Lichtleitfaser gleichen Typs einander gegenüberliegend
positioniert, um einen optischen Hohlraumresonator zwischen den
Enden zu definieren.
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Die
Enden der zwei Fasern müssen,
damit das Interferometer richtig funktioniert, extrem präzise ausgerichtet
sein, einen genauen Abstand voneinander aufweisen, um einen Hohlraum
mit vorbestimmter Länge
zu definieren, und fest in dieser Position angeordnet sein, um einen
stabilen Hohlraum zu definieren, dessen Größe sich weder zeit- noch temperaturbedingt ändern darf
(außer
bei absichtlich herbeigeführten
Größenänderungen
zur Durchführung der
Messung). Zu diesem Zweck wurden verschiedene Vorschläge unterbreitet.
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In
einem bekannten Verfahren werden die Enden der zwei Fasern in gegenüberliegende
Enden eines Kapillarröhrchens
eingesetzt, dessen Innendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser
der Fasern ist, und einander gegenüberliegend in einem Abstand
positioniert, der der erforderlichen Länge des Hohlraums gleicht.
Die obige Methode gewährleistet
zwar eine genaue Ausrichtung der Fasern, ist aber wegen der betreffenden
kleinen Toleranzen schwierig zu realisieren. Darüber hinaus ist, obwohl der
Abstand zwischen den zwei Fasern entsprechend der Größe des Hohlraums
angeordnet werden kann, die Verbindung zwischen dem Kapillarröhrchen und
den Fasern schwach, was wegen unerwünschter Axialbewegung der Fasern
während
der Messung zu Instabilität
des Hohlraums führen
kann.
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In
einem weiteren bekannten Verfahren wird ein ähnliches Kapillarröhrchen verwendet,
in dessen Innenraum das Ende einer der beiden Fasern verschweißt wird;
das Ende der zweiten Faser wird im erforderlichen Abstand zur ersten
Faser in das andere Ende des Röhrchens
eingesetzt und anschließend mit
einem Epoxidharz an das Röhrchen
angeklebt. In diesem Fall ergeben sich jedoch Schwierigkeiten bei der
Ausrichtung der zweiten auf die erste Faser; die im Laufe der Zeit
nachlassende Konsistenz und Hitzeempfindlichkeit des Epoxidharzes
beeinträchtigen schließlich die
Stabilität
der Verbindung; und das Verfahren als Ganzes ist komplexer als das
erste.
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In
noch einem weiteren Verfahren wird ein Kapillarröhrchen, das den gleichen Außendurchmesser
wie die Fasern und die gleiche Länge
wie die für den
Hohlraum erforderliche Länge
hat, zwischen den gegenüberliegenden
Enden der zwei Fasern positioniert; die Endkanten des Kapillarröhrchens
werden mit denen der angrenzenden Fasern verschweißt, um einen
Hohlraum zu bilden, der von außen
unzugänglich
ist. Der Nachteil dieses Verfahrens ist dabei die Genauigkeit bei
der Ausrichtung.
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Überdies
wird bei allen obigen Verfahren ein geschlossener Hohlraum erzeugt,
was eine Metallisierung der Faserenden (um die Empfindlichkeitscharakteristik
des Interferometers zu verändern) und
das Einsetzen der für
bestimmte Messvorgänge notwendigen
optischen Elemente oder Substanzen in den Hohlraum verhindert.
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Das
US-Patent 4.830.451 beschreibt ein optisches Element, bei dem eine
einen Hohlraum definierende Lichtleitfaser mittels mehrerer Klebepunkte an
einem Haltestab befestigt wird.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen,
das ein stabiles Verbinden der Enden der zwei Fasern ermöglicht,
die einen Hohlraumresonator eines Interferometers definieren, und
so ausgelegt ist, dass die oben genannten Nachteile behoben werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements – insbesondere
eines interferometrischen Sensors – nach Anspruch 1 vorgesehen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein nach obigem Verfahren
hergestelltes optisches Element.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein optisches Element nach Anspruch 13 vorgesehen.
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Eine
bevorzugte, nicht einschränkende
Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1: schematisch einen ersten
Schritt des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2: einen Teil des erfindungsgemäßen optischen
Elements am Schluss eines Zwischenschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3: schematisch und der Klarheit
halber ohne einige Teile einen weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4: schematisch und der Klarheit
halber ohne einige Teile eine Variante des Schritts von 3;
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5: das fertige erfindungsgemäße optische
Element; und
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6: schematisch ein optisches
Fabry-Perot-Interferometer, das ein erfindungsgemäßes optisches
Element aufweist.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung dient zur Herstellung eines optischen Elements, das vorteilhaft
als Hauptbestandteil eines optischen Interferometers – insbesondere
eines Fabry-Perot-Interferometers – verwendet werden kann.
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1 zeigt, dass das optische
Element der vorliegenden Erfindung hergestellt wird aus einer ersten
Lichtleitfaser 1 aus Glas (z. B. eine Einmodenfaser mit
125 μm Außendurchmesser),
die Licht zu einem Fabry-Perot-Interferometer
leitet, und einer ebenfalls aus Glas bestehenden zweiten Lichtleitfaser 2,
die einen größeren Durchmesser
als die erste hat und einfach einen Halt für die erste Faser 1 definiert.
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Das
Verfahren umfasst zu Beginn den Schritt der Befestigung beider Fasern 1 und 2 an
einer bekannten Halte- und Zugvorrichtung 3, um die Fasern 1 und 2 parallel
und einander entlang einem geraden Abschnitt mit vorbestimmter Länge berührend zu
positionieren. Die Fasern 1 und 2 werden insbesondere so
einander berührend
positioniert, dass ihre Kreisquerschnitte entlang einem Kontaktabschnitt
Z tangential zueinander sind.
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Die
Halte- und Zugvorrichtung 3 umfasst zwei bekannte Schlitten 4 (schematisch
dargestellt), die auf einer horizontalen Oberfläche 5 befestigt sind und
kontrolliert entlang der Oberfläche 5 zueinander hin-
und voneinander fortgleiten; die Fasern 1 und 2 sind
so in bekannter Weise (nicht dargestellt) an den Schlitten 4 befestigt,
dass sich die jeweiligen benachbarten Abschnitte 1a und 2a in
geraden, parallelen Richtungen zwischen den Schlitten 4 erstrecken.
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Es
wird ein die Flamme 8 erzeugender Butangasbrenner 7 aufgestellt
und kontrolliert zwischen den Schlitten 4 bewegt, um die
benachbarten Abschnitte 1a und 2a mit der Flamme 8 bis
zu einer vorbestimmten Temperatur zu erhitzen und dadurch die Oberflächen der
Abschnitte 1a und 2a entlang dem Kontaktabschnitt
Z zu verschweißen.
Die obige Wärmebehandlung
wird in Bezug auf die Dauer, die Temperatur der Flamme 8 und
den Weg des Brenners 7 kontrolliert; die Abschnitte 1a und 2a werden
nur an ihrer Oberfläche
verschweißt,
damit der Kern und folglich die Lichtleiteigenschaften der Faser 1 nicht wesentlich
verändert
werden; und nach der Wärmebehandlung
sind die Fasern 1 und 2 stabil zueinander entlang
dem Kontaktabschnitt Z befestigt.
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Die
Abschnitte 1a und 2a können gleichzeitig mit dem Schweißverfahren
auch einem Verfahren zur Querschnittsverjüngung ausgesetzt werden, das eine
gegenseitige Fortbewegung der Schlitten 4 umfasst, um eine
kontrollierte Zugkraft auf die Abschnitte 1a und 2a während ihrer
Erhitzung einwirken zu lassen, sie dadurch axial zu strecken und
einen Mittelabschnitt 9 (2)
mit kleinem Querschnitt zu erzeugen. Das Verfahren zur Querschnittsverjüngung dient
zur Veränderung
der mechanischen und Lichtleit-Eigenschaften der Faser 1,
wie im Folgenden noch beschrieben wird.
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Im
Anschluss an die Verschweißung
und die Querschnittsverjüngung
(falls durchgeführt)
der Fasern 1 und 2 wird mit einem der beiden oben
beschriebenen Verfahren entlang dem Abschnitt 1a ein optisch
transparenter Hohlraum gebildet, der einen optischen Hohlraumresonator
definiert.
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In
einem ersten Verfahren (dargestellt in 3) wird mit einem Trennwerkzeug 11 ein
Einschnitt 10 in den Abschnitt 1a durchgeführt, um
die Faser 1 an der Einschnittstelle zu schwächen; die
Abschnitte 1a und 2a werden dann am Einschnitt
gebogen (durch die gestrichelten Linien dargestellt), um die Fasern 1 und 2 zu
verformen, die Faser 1 nur am Einschnitt 10 zu
durchtrennen und so einen sehr kleinen Hohlraum 12 (ungefähr 1 μm breit,
wie durch die gestrichelten Linien und deutlicher in der vergrößerten Detailzeichnung
ersichtlich) zu bilden, der durch zwei ebene, nicht ganz parallele
Oberflächen 13 und 14 (der
Winkel zwischen ihnen beträgt
einen Bruchteil von einem Grad) definiert wird. Die Größe des Hohlraums 12 kann
innerhalb eines beschränkten Be reichs
durch größere oder
kleinere Biegung der Fasern 1 und 2 geregelt und
durch ein Temperverfahren stabilisiert werden, wobei die Abschnitte 1a und 2a mit
der Flamme 8 auf eine unter der Verschweißtemperatur
liegende Temperatur erhitzt werden, um die gegenseitigen Positionen
der ebenen Oberflächen 13 und 14 zu
stabilisieren, die außerdem
im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Abschnitts 1a der
Faser 1 sind.
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In
einem zweiten Verfahren (in 4 dargestellt)
wird der Hohlraum im Abschnitt 1a mit einer Kreissäge 16 (nur
teilweise dargestellt) mit einem flachen Sägeblatt 17 konstanter
Dicke erzeugt. Das Sägeblatt 17 wird
so positioniert, dass seine Achse parallel zu den Achsen der Fasern 1 und 2 ist,
und so zur Faser 1 hinbewegt, dass es stets senkrecht auf
die Achse der Faser 1 ausgerichtet ist, um den Abschnitt 1a quer
zu schneiden und dadurch einen Hohlraum 18 zu erzeugen,
der gleich dick wie das Sägeblatt 17 ist
und durch zwei ebene, parallele Oberflächen (nicht dargestellt) definiert
wird, die einander gegenüberliegen
und senkrecht zur Achse des Abschnitts 1a sind.
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Gemäß einer
nicht dargestellten Variante können
mit einem der beiden obigen Verfahren größere Hohlräume hergestellt werden, indem
im Abschnitt 1a zwei Trennungen (Spalten oder Schnitte,
je nach dem verwendeten Verfahren) erzeugt werden, die um einen
vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind, und der Lichtleitfaserteil
zwischen den zwei Trennungen entfernt wird.
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Am
Ende der obigen Verfahren werden die Abschnitte 1a und 2a geschnitten
(in einer nicht dargestellten Weise), um ein wie in 5 dargestelltes optisches Element 20 herzustellen,
das einen ersten Lichtleitfaserabschnitt 21, der durch
einen Teil des Abschnitts 1a mit vorbestimmter Länge (beispielsweise
einige Zentimeter) definiert wird, und einen zweiten Lichtleitfaserabschnitt 22 umfasst,
der durch einen Teil des Abschnitts 2a mit vorbestimmter
Länge definiert
wird, aber kürzer
ist als der erste Abschnitt 21 (beispielsweise ca. 1 cm)
und Letzteren hält.
Der erste Abschnitt 21 umfasst einen Hohlraum 26,
der mit einem der obigen Verfahren hergestellt wird, und zwei Endabschnitte 24, 25,
von denen der erste länger
als der zweite ist, damit Verbindungen berücksichtigt werden können; der
Hohlraum 26 wird durch gegenüberliegende ebene Oberflächen 27 und 28 definiert,
die im Wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur Achse
des ersten Abschnitts 21 sind; und die Oberflächen 27 und 28 können mit
einer halbreflektierenden Metallschicht 29 überzogen
werden, um die Empfindlichkeitscharakteristik des optischen Elements 20 zu
variieren.
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In 6 ist dargestellt, dass
das optische Element 20 zur Herstellung eines üblichen
optischen Fabry-Perot-Interferometers 30 verwendet werden kann,
das wegen seiner Bekanntheit nur kurz beschrieben wird. Das Interferometer 30 umfasst
eine Lichtquelle 31 (beispielsweise eine Laserdiode); einen
Fotodetektor 32; ein wie oben beschriebenes optisches Element 20;
eine Lichtleitfaser 33, die das optische Element 20 mit
der Lichtquelle 31 verbindet (in einer nicht dargestellten
Weise); und eine weitere Lichtleitfaser 34, die über einen
Optokoppler 35 mit der Lichtleitfaser 33 verbunden
ist, um einen Lichtweg zwischen dem Element 20 und dem
Fotodetektor 32 zu definieren.
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Das
Interferometer 30 funktioniert folgendermaßen: Die
Lichtquelle 31 erzeugt einen Lichtstrahl R, der über die
Lichtleitfaser 33 zum Element 20 übertragen
wird; der Strahl B dringt in den Lichtleitfaserabschnitt 21 ein
und trifft auf die Oberfläche 27 auf,
von der er teilweise reflektiert (Strahl R1) und teilweise durchgelassen
wird, um einen durch den Hohlraum 26 durchgelassenen Strahl
(nicht dargestellt) zu definieren; der durchgelassene Strahl seinerseits
wird von der Oberfläche 28 teilweise
durchgelassen und teilweise reflektiert, um einen reflektierten
Strahl R2 zu definieren, der teilweise zurück durch die Oberfläche 27 hindurch
und zusammen mit dem Strahl R1 aus dem optischen Element 20 heraus zum
Fotodetektor 32 verläuft.
Der Fotodetektor 32 empfängt zusammen mit den Strahlen
R1 und R2 auch weitere Strahlen (nicht dargestellt), die durch Anteile
des Strahls R definiert werden, die mehrfachen Reflexionen zwischen
den Oberflächen 27 und 28 ausgesetzt
sind. Umgekehrt werden andere Anteil des Strahls R durch die Oberfläche 28 durchgelassen und
gestreut.
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Der
Fotodetektor 32 erfasst deshalb Störungen zwischen den Strahlen
R1 und R2. Während
die Phase des Strahls R1 konstant ist, wird die Phase des Strahls
R2 durch Veränderungen
der Länge
des Hohlraums 26 (beispielsweise infolge von Wärmeausdehnung
oder mechanischer Schwingung) und durch eine Änderung der Brechzahl im Hohlraum 26 (beispielsweise
durch ein dazwischen eingefügtes optisches
Element mit einer anderen Brechzahl als Luft) beeinflusst, so dass
die Messgröße durch
Messung der Interferenz der Strahlen R1 und R2 ermittelt werden
kann.
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Das
optische Element 20 kann außer als Interferometer auch
als Lichtmodulator verwendet werden, indem die Größe des Hohlraums 26 je
nach einem modulierenden Eingangssignal verändert wird und die Eigenschaften
des durch ihn strömenden Lichts
dadurch variiert werden.
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Der
dynamische Empfindlichkeitsbereich und das Ausmaß der Lichtintensitätsänderung
können
durch eine Metallisierung der Oberflächen 27 und 28 als
eine Funktion der Größe des Hohlraums 26 geregelt
werden; außerdem
verbessert eine Querschnittsverjüngung
der Faserabschnitte 1a und 2a beim optischen Element 20 das
mechanische Verhalten bei Belastung und verringert die Dämpfung im Hohlraum 26.
Diese Reduzierung der Dämpfung
beruht insbesondere auf der Verengung des Faserkerns, wodurch der
Lichtpunkt des Strahls R aufgeweitet und somit die Streuung des
in den Hohlraum 26 durchgelassenen Anteils des Strahls
R verkleinert wird und wodurch der Prozentsatz des von der Faser 21 wieder
eingefangenen und zum Fotodetektor 32 durchgelassenen Lichts
erhöht
wird. In ähnlicher Weise
können
bei einer vorgegebenen Lichtmenge, die von der Faser 21 wieder
eingefangen wird, längere
Hohlräume
hergestellt und Fertigungstoleranzen reduziert werden.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind folgende:
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Das
optische Element 20, das – wie bereits gesagt – das lichtempfindliche
Element des Interferometers 30 definiert, ist mechanisch
stabil, da es einen Halt 2 für die Lichtleitfaser 1 aufweist.
Das nach dem Schweißverfahren
durchgeführte
Verfahren zur Bildung des Hohlraums ist insbesondere unkompliziert und
sorgt dafür,
dass Fertigungsfehler und -toleranzen minimiert und somit die Quer-
und Winkelausrichtungsprobleme von Verfahren eliminiert werden, bei
denen zwei Lichtleitfasern zur Bildung des Hohlraums ausgerichtet
werden müssen.
Das optische Element 20 kann auch isoliert werden, indem
es in einem versiegelten Behälter
eingekapselt wird und der Behälter
mit Inertgas be füllt
wird. Der Hohlraum 26 kann alternativ mit einem stabilisierenden
Material befüllt
werden.
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Das
optische Element 20 lässt
sich leicht herstellen, da es nur eine geringe Anzahl von Komponenten
mit engen Toleranzen umfasst; darüber hinaus werden die Verfahren
zur Abstimmung, Kalibrierung und Qualitätskontrolle bei der Erzeugung
des Hohlraums vereinfacht.
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Die
Verfahren zur Herstellung des optischen Elements 20 können leicht
modifiziert werden, um die optischen und mechanischen Eigenschaften
des Elements 20 an die Anforderungen verschiedener Anwendungen
anzupassen.
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Das
optische Element 20 ist stabil und leicht herzustellen,
kann je nach Bedarf miniaturisiert werden, ist mit allen standardmäßigen optoelektronischen
Komponenten kompatibel und lässt
sich außerdem
vorteilhaft bei anderen Arten volloptischer Vorrichtungen verwenden.
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Die
Empfindlichkeitscharakteristik des optischen Elements 20 – z. B.
dynamischer Bereich und dynamische Empfindlichkeit – kann leicht
durch Abscheiden einer Metallschicht 29 an den Oberflächen 27 und 28 während der
Fertigung modifiziert werden.
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Und
schließlich
kann sogar das fertige optische Element 20 in geringem
Maße durch
eine weitere Wärmebehandlung
umkonfiguriert werden.
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Es
können
selbstverständlich Änderungen an
dem hier beschriebenen und dargestellten Verfahren und optischen
Element vorgenommen werden, ohne dabei jedoch vom Umfang der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
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Insbesondere
kann die Lichtleitfaser 1 eine Einmodenfaser – was bei
einer kohärenten
Lichtquelle vorzuziehen ist – oder
eine Mehrmodenfaser sein – was
bei einer nicht kohärenten
Lichtquelle vorzuziehen ist; obendrein kann das Substrat ein anderes Element
als eine Lichtleitfaser umfassen, einen nicht kreisförmigen Querschnitt
aufweisen und in geeigneter Weise dotiert oder beschichtet sein,
um die Empfindlichkeit des optischen Elements 20 zu verbessern.
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Die
Lichtleitfaser 20 kann durch ein Halteelement ersetzt werden,
das eine andere Form besitzt und aus Glas besteht.
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Darüber hinaus
lässt sich
die Lichtleitfaser 1 – im
Gegensatz zu dem beschriebenen Verfahren mit der Flamme – mit einem
Lichtbogen oder Laserstrahl an die Oberfläche des Substrats anschweißen.
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Es
können
Bragg-Gitter in bekannter Weise in das fertige optische Element 20 eingesetzt
werden, um dessen Empfindlichkeit zu verbessern oder um bei optischen
Vorrichtungen, die mehrere optische Elemente des beschriebenen Typs
umfassen, verschiedene Wellenlängen
zu vervielfachen.
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Die
gleichen beschriebenen Verfahren lassen sich auch dazu verwen den,
komplexere optische Elemente herzustellen, z. B. Mach-Zehnder-Interferometer mit
Lichtleitfaserteilen, die mit dem Substrat verschweißt sind.
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Ferner
können
die gleichen beschriebenen Verfahren dazu eingesetzt werden, mehrere
Hohlräume
hintereinander zu erzeugen, um mittels Zeit-, Wellenlängen- oder
anderen vervielfachenden Verfahren gleichzeitige Messungen durchzuführen. Mit zwei
oder mehr Hohlräumen
lässt sich
auch ein passives, um 90° phasenverschobenes
Demodulationssystem herstellen, indem die Größe der Hohlräume gleichzeitig
geregelt wird, um den Zustand der 90°-Phasenverschiebung durch Biegen und
Erhitzen (Tempern) der Lichtleitfaser und des Substrats zu erreichen.