DE69817131T2

DE69817131T2 - Interferometer zu Messung optischer Eigenschaften in Proben

Info

Publication number: DE69817131T2
Application number: DE69817131T
Authority: DE
Inventors: Angelo 20040 Cambiago Barberis; Stefano 41053 Meranello Caselli; Silvia Maria 20060 Cassina de'Pecchi Pietralunga; Mario 20097 San Donato Milanese Martinelli
Original assignee: Corning OTI Inc
Current assignee: Corning OTI Inc
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2018-12-19
Also published as: NZ333526A; CA2257034A1; DE69817131D1; AR014068A1; JPH11257914A; BR9805806A; AU9812198A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Interferometer, und betrifft ein solches Interferometer, das zum Messen optisch induzierter Veränderungen der optischen Eigenschaften von zu untersuchenden Materialproben, z. B. von zeitlich aufgelösten optischen Nichtlinearitäten, nützlich ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Hybridinterferometer, das im Referenzzweig optische Leiter bzw. Lichtleiter und im Messzweig eine Kombination aus Lichtleitern und Ausbreitung im freien Raum verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Rolle von nicht-linearen Materialien in Hochgeschwindigkeitsanwendungen, wie z. B. optischen Schaltern, Verstärkern, Begrenzer und Frequenzumwandler, schuf den Bedarf an einem effizienten Verfahren zum Charakterisieren nicht-linearer Parameter. Viele dieser Parameter können dadurch charakterisiert werden, indem der Brechungsindex eines Materials analysiert wird. Insbesondere zeigen Halbleitermaterialien ein breites Spektrum an nichtlinearen Effekten mit Antwortzeiten, die aufgrund elektronischer Nichtlinearitäten, freier Ladungsträgereffekte und thermischer Nichtlinearitäten einige Größenordnungen umspannen. Andere Materialien können ebenso Eigenschaften zeigen, die sich mit der Zeit verändern, z. B. aufgrund optischer Wechselwirkung oder Umweltfaktoren, und die ebenso den Brechungsindex der Materialien verändern.
Das Vorhandensein von zwei oder mehrerer nicht-linearer Mechanismen kann die Interpretation von optischen Nichtlinearitäten erschweren, da vielerlei Verfahren nicht zwischen diesen unterscheiden können. Eine quantitative Information hinsichtlich des nicht-linearen Brechungsindex für optische Materialien ist für die Entwicklung von rein optischen Vorrichtungen, wie z. B. opto-optischen Schaltern, notwendig. Einige Verfahren sind zum Durchführen solcher Messungen vorgeschlagen worden, von denen die meisten auf einer direkten interferometrischen Messung beruhen, die ein Pump-/Messverfahren verwendet.
Ein Verfahren dient zur Analyse zeitlicher Interferenzstreifen, um den nicht-linearen Brechungsindex zu erhalten, wie dies in "Nonlinear-Index-Of-Refraction Measurement in A Resonant Region By The Use Of A Fiber Mach-Zehnder Interferometer", Applied Optics, Vol. 35, Nr. 9, 20. März 1996, Seiten 1485–88 beschrieben ist. Dieses Verfahren verwendet Lichtleiter in sowohl dem Referenz- als auch dem Messzweig. Ebenso ist in jedem Zweig eine einstellbare Verzögerungseinheit (AD) enthalten, basierend auf einem Lichtleiter mit Anschlusstück und einem Stablinsenpaar mit Gradientenindex, um so die optische Länge eines jeden Armes bzw. Zweiges zu variieren.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass dieses Verfahren schwierig anzuwenden ist, um die Eigenschaften von großvolumigen Proben zu messen, da das Vorbereiten einer Grenzfläche zwischen den Lichtleitern in dem Messzweig und der zu messenden Probe schwierig ist. Oftmals führt das Installieren von Lichtleiterverbindungen an die Probe zu einer Verschiebung der elektrischen Eigenschaften derselben.
Zusätzlich können einige Proben nicht direkt mit dem Lichtleiter verbunden werden.
Gemäß diesem Verfahren schreiten die Pumpimpulse in den in den Interferometerzweigen enthaltenen optischen Lichtleitern fort; die Erfinder haben dabei beobachtet, dass dies die maximale Pumpleistung begrenzt, die für diese Messungen zur Verfügung steht.
Ein weiteres Verfahren ist in "Time-Resolved Absolut Interferometric Measurement Of Third-Order Nonlinear-Optical Susceptibilities", Journal of the Optical Society of America B, Vol. 11, Nr. 6, Juni 1994, Seiten 995–999 beschrieben. Dieses Verfahren stellt den nächstkommenden Stand der Technik dar, wie dies in 1 der Veröffentlichung dargestellt ist, und verwendet das Fortschreiten von optischen Signalen im freien Raum, um nicht-lineare optische Eigenschaften von voluminösen Materialien ("bulk materials") zu messen. Ein Mach-Zehnder-Interferometer vergleicht die beiden Strahlen (Mess- und Referenzstrahl) bezüglich ihrer Amplitude und Phase. Die Probe befindet sich in dem Messzweig und wechselwirkt mit dem starken, kollinearen Pumpstrahl. Die Zeitverzögerung τ zwischen den Pump- und Messimpulsen schafft die Grundlage für ein Messinterferometer.
Die Erfinder haben beobachtet, dass die obigen Verfahren Nachteile besitzen, die im Zusammenhang mit der Verwendung eines optischen Messystems stehen, bei dem das Licht vollständig im freien Raum sich ausbreitet, insbesondere nimmt es sehr viel Platz in Anspruch und bedarf einer sorgfältigen Ausrichtung sämtlicher optischer Komponenten, was wiederum die Anwendung dieses Verfahren erschwert.
Andere Diskussionen von Messungen von nicht-linearen Eigenschaften können in "Femtosecond Time-Resolved Interferometry For The Determination Of Complex Nonlinear Susceptibility", Optics Letters, Vol. 16, Nr. 21, 1. November 1991, Seiten 1683–1685 und "Interferometric Measurement Of The Nonlinear Index Of Refraction n₂ Of CdS_xSe_1-x-Doped Glasses", Applied Physics Letters, Vol. 48, Nr. 18, 5. Mai 1986, Seiten 1184–1186 gefunden werden.
Das US-Patent 5,268,739 offenbart eine Laserapparatur zum Messen der Geschwindigkeit eines Fluids. In dem beschriebenen System wird ein Laserstrahl in ein Rohr geleitet, durch das das Fluid strömt. Teilchen in dem Fluid interferieren mit dem Licht. Die Geschwindigkeit des Fluids wird aus der Interferenz berechnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Anmelder hat herausgefunden, dass die optischen Eigenschaften einer Probe gemessen werden können, ohne dass Lichtleiter an die Probe angebracht werden müssen, während man sich die Vorteile der Verwendung von Lichtleitern in einer Messapparatur dadurch zu Nutzen macht, indem ein Hybrid-Interferometer verwendet wird, das im Messzweig eine Kombination aus Lichtleitern und Ausbreitung im freien Raum aufweist. Diese Anordnung vereinfacht deutlich das Testen von nicht-linearen optischen Eigenschaften der zu untersuchenden Proben.
Insbesondere haben die Erfinder ein Hybrid-Interferometer mit einem Referenzzweig, der sich aus Lichtleiterpfaden zusammensetzt, und einem Messzweig, der sich aus einer Kombination aus Lichtleiterpfaden und einem Freiraumbereich zusammensetzt, in dem sich die zu testende Probe befindet und in dem das Koppeln eines Pumpstrahls an die Probe im freien Raum vollzogen wird, entwickelt.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Interferometer gemäß Anspruch 1.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lichtleiter Monomode-Lichtleiter. Ein Polarisationskontroller ist vorzugsweise entlang dem Mess- und/oder Referenzzweig enthalten. Alternativ können die Lichtleiter polarisationserhaltende Lichtleiter sein.
Das Interferometer umfasst vorzugsweise ein Kopplungselement zum Zusammenführen des von dem Referenzzweig erhaltenen Signals und des von dem Messzweig erhaltenen Signals in ein Interferenzsignal und zum Koppeln des Interferenzsignals in den Fotodetektor.
Gemäß anderer bevorzugter Ausführungsformen verlaufen der Mess- und Pumpstrahl innerhalb der Probe kollinear, und das Interferometer umfasst einen Auswahlreflektor in dem freien Raumbereich zum Reflektieren des Pumpstrahls auf die Probe und zum Transmittieren des Messstrahls.
Mögliche Ausführungsformen für den Auswahlreflektor sind ein dichroischer Spiegel oder ein Polarisator.
Eine Auswahltransmissionsvorrichtung ist vorzugsweise in dem freien Raumbereich enthalten zum Transmittieren des Messstrahls und zum Verhindern des Eintretens des Pumpstrahls in den Lichtleiter. Mögliche Ausführungsformen für die Auswahltransmissionsvorrichtung sind ein dichroischer Spiegel oder ein Polarisator.
Das Interferometer kann einen Rückkoppelschaltkreis aufweisen, der einen Piezokontroller zum Beibehalten der 90°-Phasenverschiebung des Interferometers umfasst. Ebenso kann das Interferometer Mittel zum periodischen Modulieren der Phase des Signals entlang dem Referenz- und/oder Messzweig aufweisen.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen der optischen Eigenschaften einer Probe gemäß Anspruch 15.
Die erfassten optischen Eigenschaften können der Brechungsindex und/oder die Absorption der Probe sein.
Der Schritt des Vergleichens kann das Zusammenführen der Ausgabe des ersten und des zweiten Lichtleiters in ein Interferenzsignal und das Messen der Intensität des Interferenzsignals aufweisen. Das Verfahren kann den Schritt des Steuerns der Länge des ersten und/oder zweiten Lichtleiters über einen Rückkoppelschaltkreis aufweisen, um so eine 90°-Phasenbedingung für das Interferenzsignal beizubehalten.
Das Verfahren kann den Schritt des periodischen Modulierens der Phase eines Signals entlang des ersten oder des zweiten Lichtleiters aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein Hybridinterferometer dar, das entsprechend der Mach-Zehnder-Konfiguration aufgebaut ist.
2 stellt eine weitere Ausführungsform des obigen Interferometers dar.
3 stellt eine weitere Ausführungsform des obigen Interferometers dar.
4 stellt eine weitere Ausführungsform des obigen Interferometers dar.
5 stellt ein Hybridinterferometer dar, das entsprechend der Michelson-Konfiguration aufgebaut ist.
6 stellt die Ergebnisse einer Messung dar, die mit dem Interferometer der 1 an einer ZnS-Probe gemacht wurden.
7 stellt die Ergebnisse einer Messung dar, die mit dem Interferometer der 1 an einer CdTe : In gemacht wurden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend nun auf die 1 ist ein Hybridinterferometer vorgesehen, das dazu verwendet wird, um die optischen Eigenschaften einer zu testenden Probe zu messen. Zwei Eingaben werden verwendet, um die Messungen durchzuführen.
Die erste ist ein Messstrahl, der bei einer Ausführungsform eine Wellenlänge von ungefähr 1,55 μm besitzen kann. Dieser Strahl wird von einer Halbleiterlaserdiode 10 mit einer schmalen Bandbreite (New Focus Model 6262) erzeugt. Die zweite Eingabe, ein Pumpstrahl, wird hierin beschrieben. Der Messstrahl wird in einen Gradientenindex-Monomode-Lichtleiter 12 (FOS Model SM-R) eingekoppelt. Ein 50/50-Lichtleiterkopplungselement 14 (Gould Model 236246) unterteilt den Messstrahl von der Laserquelle zwischen dem Referenzzweig 13 und dem Messzweig 15; die verbleibende Eingabe des Kopplungselements 14 endet an einem Indexangepassten Ende 16 ("termination"), um Rückreflektionen zu minimieren.
Lichtleiter jeglicher bekannter Art zusätzlich zu dem vom Gradientenindex-Typ können für das Interferometer verwendet werden. Es wird jedoch bevorzugt, dass der Lichtleiter eine einzige Mode bei der Messstrahlwellenlänge besitzt, um Phasengeräusche an der Interferometerausgabe aufgrund unterschiedlicher Ausbreitungszeiten der verschiedenen Moden in Multi-Mode-Lichtleitern zu minimieren.
Der Lichtleiter 21 des Referenzzweiges wird um eine piezokeramische Scheibe 18 gewickelt (Vernitron, ∅ = 2 cm, 0,5 cm Dicke, V_π = 100 V), die in eine Rückkoppelschleife eingeführt ist, um die 90°-Phasenverschiebung für das Interferometer beizubehalten (d.h. der Punkt maximaler Empfindlichkeit). Die Rückkoppelschleife umfasst einen Fotodetektor 46 und ein Piezotreibelement (oder Piezokontroller) 48.
In dem Messzweig ist der Lichtleiter 20 an der Probenstelle unterbrochen. Der Messstrahl wird aus dem Lichtleiter 20 durch die Linse 22 kollimiert, tritt in die zu testende Probe 24 ein und, nach Austritt aus derselben, wird er in den Lichtleiter 26 durch die Linse 28 fokussiert.
Ein Lichtleiterpolarisationskontroller 41 bekannter Art, der Spulen aus Mono-Mode-Lichtleiter aufweist, wird vorzugsweise vor der Linse 22 entlang dem Lichtleiter 20 in den Messzweig 15 eingeführt, um die Polarisation des Messstrahles in der Probe zu kontrollieren.
Ein optischer Pumpstrahl, der die nicht-linearen Phänomene in der Probe induziert, kommt von einem Q-switched Nd : YAG-Laser 30, der 10 ns Pulse bei eine Wellenlänge von 1060 nm emittiert (New Wave Research Inc.), breitet sich in der zu testenden Probe kollinear aus, überlagert sich mit dem Messstrahl und breitet sich in Gegenrichtung in Bezug auf den Messstrahl aus. Der Mess- und der Pumpstrahl besitzen eine räumliche Gauss-Form mit einem 1/e² Radius von jeweils 100 μm und 400 μm.
Die zu testende Probe kann ein beliebiges Material sein, das bezüglich der Messstrahlwellenlänge transparent ist. Insbesondere kann es ein Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, z. B. eingeschlossen in einer Zelle mit Wänden, die eine geringe Dämpfung bei der Pump- und Messwellenlänge aufweisen.
Der Messzweig des Interferometers enthält zwei dichroische Spiegel 32 und 34, die bei 1550 nm transmittieren und bei 1060 nm reflektieren (EKSMA). Der Spiegel 34 verhindert das Eintreten des Pumpstrahls in den Lichtleiter und das Erreichen der Messstrahlquelle und der Fotodetektoren; der Spiegel 32 ermöglicht das Überlappen des Strahls vom Laser 10 und vom Laser 30 in der zu testenden Probe und dient ebenso dazu, einen Teil des Strahls von dem Laser 30 als Triggersignal für das Oszilloskop 36 an der Ausgabe 38 abzutrennen.
Der Messzweig enthält ebenso zwei Linsen 22 und 28. Die Linse 22 ist eine 0,25-PITCH Gradientenindex-Linse (SELFOC) und kollimiert den optischen Strahl an der Ausgabe des Lichtleiters 20 durch den Spiegel 34 und in die Testprobe 24. Die Linse 28 ist eine bikonvexe BK7-Linse mit eine Brennweite f = 8 mm, die den Messstrahl nach Austreten aus der Probe 24 in den Lichtleiter 26 fokussiert. Ein zweites 50/50 Lichtleiterkopplungselement 42 (E-TEK) erzeugt die Interferenz zwischen dem Teil des Messstrahls, der durch den Pumpstrahl phasenmoduliert ist, und dem Teil des Messstrahls, der sich entlang dem Referenzzweig bewegt hat. Ein optischer Lichtleiterpolarisationskontroller 40 bekannter Art, der Spulen aus Mono-Mode-Lichtleitern aufweist, wird in den Messzweig zwischen der Linse 28 und dem Lichtleiterkopplungselement 42 eingeführt, um die Polarisation der Referenz- und Messstrahlen anzupassen und um so die Sichtbarmachung der Interferenzstreifen zu verbessern.
Die beiden Ausgaben des Kopplungselements 42 gelangen an zwei Fotodetektoren 44 und 46, welche die intensitätsmodulierten Signale auslesen. Dies übersetzt die Phasendifferenz zwischen der optischen Referenz- und der Messbahn. Das Signal von der Fotodiode 44 (New Focus Model 1611 – 1 GHz Bandbreite) wird über ein Oszilloskop 36 für die zeitaufgelöste Messung des Dephasing-Signals überwacht. Ein beliebiger Fotodetektor kann anstelle einer Fotodiode 44 verwendet werden, vorausgesetzt, dass er auf die Messstrahlwellenlänge anspricht und dass er eine Bandbreite besitzt, die der Pulsdauer des Pumpstrahls und der Zeitskala der optischen Phänomene, die in der zu testenden Probe zu erfassen sind, entspricht. Das Oszilloskop 36 kann durch eine Streak-Kamera ersetzt werden, falls die zu erfassenden Signale eine sehr schnelle Zeitskala besitzen, z. B. im Pikosekunden- oder Sub-Pikosekundenbereich. Die Fotodiode 46 (New Focus Model 1811 – 125 MHz Bandbreite) sieht das Eingabesignal für die Rückkoppelschleife vor, die das Piezotreibelement 48 kontrolliert bzw. steuert, um so das Interferometer mit 90°-Phasenverschiebung betreiben zu können. Ein beliebiger Fotodetektor kann anstelle der Fotodiode 46 verwendet werden, vorausgesetzt, dass er eine Bandbreite von zumindest einer Größenordnung größer als die Bandbreite des Interferometergeräusches (Vibrationen, thermische Verschiebung, Umweltgeräusch etc.), das aufzuspüren ist, besitzt. Bei einer gezeigten Ausführungsform weist der Piezokontroller einen einfachen elektronischen Schaltkreis auf, der aus einem aktiven Integrator mit nur einem Pol gebildet ist. Seine Polfrequenz beträgt 20 kHz, seine Verstärkung beträgt bei offener Schleife bei Null-Frequenz 250. Der Piezokontroller weist ferner einen Hochspannungsverstärker auf, z. B. Burleigh-Model PZ-70, wobei die Polfrequenz auf 5 kHz und die variable Verstärkung auf 50 eingestellt ist.
Ein Beispiel einer XPM-(Querphasenmodulations)-Messung, die mit der Vorrichtung der 1 gemacht wurde, ist in 6 gezeigt, die einen Oszilloskopausdruck der Interferometerausgabeintensität (willkürliche Einheiten) aufgetragen gegen Zeit (5 ns/Einheit) für eine ZnS-Probe zeigt, wobei der Mess- und Pumpstrahl, wie oben beschrieben, unterschiedliche Wellenlängen besitzt. Eine nicht-resonante Nichtlinearität wurde beobachtet, und ein Koeffizient n₂ = 3,56·10^–19 m²/W wurde aus den Messergebnissen für die Probe berechnet.
7 zeigt ein weiteres Ergebnis einer Messung, die an einer CdTe : In Probe gemacht wurde. Ein Oszilloskop-Diagramm der Ausgabeintensität des Interferometers (willkürliche Einheiten) aufgetragen gegen Zeit (100 ns/Einheit) mit der gleichen Testvorrichtung und den oben beschriebenen Bedingungen zeigt eine resonante Nichtlinearität in der gemessenen Probe. Basierend auf der Testmessung wurde die Lebensdauer der foto-erzeugten Ladungsträger auf τ = 180 ns bestimmt, während die Änderung des Brechungsindex pro fotoerzeugtem Ladungsträger auf σ_r = –1, 2μ10^–27 m³ bestimmt wurde.
Die beschriebene Ausführungsform weist einen gegenläufigen Pump- und Messstrahl auf. Es ist ebenso möglich, dass der Pump- und Messstrahl sich in gleicher Richtung ausbreiten, indem die Positionen der Spiegel 34 und 32 ausgetauscht werden. Eine gleichläufige Pump- und Messstrahlkonfiguration kann ebenso in die Ausführungsformen implementiert werden, wie dies im Anschluss beschrieben werden wird. Eine gegenläufige Konfiguration ist jedoch bevorzugt, um das Koppeln des restlichen Pumpstrahls, der durch den dichroischen Spiegel zum Fotodetektor 44 gelangt, zu minimieren und eine Sättigung desselben zu verhindern.
Eine weitere Möglichkeit ist, dass der Mess- und der Pumpstrahl nicht kollinear sind. Zum Beispiel kann die zu testende Probe von der Seite her gepumpt bzw. angeregt werden, oder der Pump- und Messstrahl kann im Allgemeinen einen Winkel ungleich Null innerhalb der Probe bilden. Die Pumpleistung, die notwendig ist, um eine bestimmte Änderung der optischen Eigenschaften der Probe zu erzielen, kann in diesem Fall deutlich größer sein als bei einer kollinearen Anordnung.
Andere Variationen dieses Aufbaus können verwirklicht werden, ohne vom Bereich und Zweck der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann eine beliebige optische Wellenlänge, die bezüglich der Transmission in Lichtleitern kompatibel ist, für den Messstrahl ausgewählt werden. Die zu messende Probe muss die optische Wellenlänge ausreichend transmittieren. Vorzugsweise, um Phasengeräusch zu minimieren, ist die Messstrahlwellenlänge derart, um eine Mono-Mode-Ausbreitung in den Lichtleitern, den optischen Lichtleiter-Kopplungselementen und den anderen optischen Lichtleiterkomponenten (wie z. B. Polarisationskontroller), die in dem Interferometer enthalten sind, wie oben erklärt wurde, zu ermöglichen.
Die Auswahl der Messstrahlquelle 10 hinsichtlich der Linienbreite und der Kohärenzlänge hängt vom effektiven Ungleichgewicht des Interferometers ab, d.h, der Differenz der optischen Länge zwischen dem Referenz- und Messzweig. Die Bedingung für einen korrekten Betrieb ist diejenige, dass das Ungleichgewicht geringer oder gleich der Kohärenzlänge der Laserquelle ist. Ist diese Bedingung erfüllt, so gibt es keine weitere Beschränkung hinsichtlich des Lasers, der für die Messquelle 10 ausgewählt ist. Die Messquelle 10 kann eine CW-Ausgabe oder alternativ eine modulierte, gepulste oder unterbrochene Ausgabe besitzen.
Die Pumpquelle 30 kann eine beliebige Quelle sein, die im freien Raum bei beliebiger Wellenlänge emittiert und die eine kontinuierliche oder variable Ausgabeleistung besitzt. Der Pumpstrahl wechselwirkt mit der zu testenden Probe und lediglich mit nur einem beschränkten Teil des Interferometeraufbaus, nämlich den Spiegeln 32 und 34 in dem Messzweig, während die verbleibenden Teile des Interferometers einschließlich sämtlicher Lichtleiterbahnen lediglich dem relativ leistungsarmen Messstrahl ausgesetzt sind. Entsprechend kann das Interferometer selbst dann verwendet werden, wenn die Pumpquellen sehr kurze Pulse mit relativ hoher Spitzenleistung vorsehen. Insbesondere "Q-switched" oder "mode-locked" Laserquellen, die im Nanosekunden-, Picosekunden- oder Sub-Picosekunden-Bereich emittieren, oder zeitkomprimierte Laserpulsquellen können als Pumpquellen verwendet werden, um das nicht-lineare Einschwingverhalten der zu testenden Probe auf einer entsprechenden Zeitskala zu messen.
Entweder die Messquelle 10 oder die Pumpquelle 30 oder beide können polarisierte Strahlung emittieren oder können von einem Polarisator gefolgt sein, um eine Messung von polarisationsabhängigen optischen Phänomenen zu ermöglichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Interferometer eine Interferenz erzeugen. Die Interferenzerzeugung ermöglicht eine unabhängige und gleichzeitige Messung von optisch-induzierten Veränderungen sowohl des Brechungsindex als auch der optischen Absorption (bzw. der realen und imaginären Komponenten des komplexen Brechungsindex) der zu testenden Probe. Dies ist besonders zur Messung von resonanten, optisch induzierten, nicht-linearen Phänomenen nützlich, die im Zusammenhang mit Änderungen der optischen Absorption stehen. Die Interferenzerzeugung wird dadurch erzielt, indem eine periodische Phasenmodulation entlang einem der Interferometerzweige überlagert wird und indem das Signal an der Ausgabe des Photodetektors 46 gemäß bekannter Verfahren demoduliert wird. Eine Phasenmodulation kann dadurch erzielt werden, indem ein periodisches Signal der piezokeramischen Scheibe 18 zugeführt wird oder indem ein Phasenmodulator entlang einem der Interferometerzweige verbunden wird, normalerweise entlang dem Referenzzweig. Die Phasenmodulation besitzt vorzugsweise eine Sägezahnform, um eine entsprechende sinusförmige Modulation an der Interferometerausgabe zu erzielen.
Geringfügige Modifikationen können am Messzweig des Interferometers gemacht werden, um das Interferometer so mit spektral variablen Pumpstrahlen verwenden zu können. Eine Möglichkeit ist es, Pump- und Messstrahlen jeweils mit vertikaler und horizontaler Polarisation vorzusehen und die Polarisation, anstatt der Wellenlänge, für die Strahlkopplung zu verwenden, indem die dichroischen Spiegel M1 und M2 durch zwei lineare flächenförmige Polarisatoren oder z. B. durch zwei polarisierende Strahlteiler ersetzt werden. In diesem Fall ist der Pumpstrahl vorzugsweise polarisiert. Bei dieser Ausführungsform kann die Pumpstrahlwellenlänge derart ausgewählt sein, dass sie im Wesentlichen gleich der Messstrahlwellenlänge (entarteter Fall) als auch von der Messstrahlwellenlänge unterschiedlich (nicht-entarteter Fall) ist.
Es ist möglich, keine Polarisationskontroller in der Vorrichtung gemäß der vorhergehenden Ausführungsform zu verwenden, falls, wie in 2 gezeigt ist, polarisationserhaltende Lichtleiterkopplungselemente für die Kopplungselemente 14 und 42 verwendet werden, und sowohl der Referenz- als auch der Messzweig aus polarisationserhaltenden Mono-Mode-Lichtleiter hergestellt ist (hohe Doppelbrechung), z. B. vom PANDA^TM-Typ.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Zusatz einer differentiellen Erfassungsapparatur, die Fotodioden 60 und 62 und einen Differentialverstärker 52 aufweist. Vorzugsweise besitzen beide Fotodioden 60 und 62 eine Bandbreite, die der Pulsdauer des Pumpstrahls und der Zeitskala der in der zu testenden Probe zu erfassenden optischen Phänomene entspricht. Der Differentialverstärker 52 ist vorzugsweise ein Transimpedanz-Verstärker und führt eine differentielle Verstärkung der optisch erzeugten Ströme der Fotodioden 60 und 62 aus. Die Fotodioden 60 und 62 und der Verstärker 52 können entweder unabhängige oder verbindende Blöcke bilden (z. B. Fotodioden, gefolgt von einem Transimpedanz-Vorverstärker, gefolgt von einem Differential-Spannungsverstärker) oder die Funktionalität kann durch eine einzige Phase erzielt werden, die zwei Fotodioden und einen Transimpedanz-Differentialverstärker aufweist. Das differentielle Ausgabesignal von dem Differentialverstärker 52 treibt sowohl den Piezokontroller 48 der Rückkoppelschleife als auch das Oszilloskop 36 an, das dazu verwendet wird, um das zeitliche Verhalten des Interferenzsignals aufzuzeichnen.
4 zeigt eine noch weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 umfasst alle Elemente der 3 zusätzlich eines optischen Choppers 54, der ebenso ersetzt werden kann durch einen optischen Modulator für den Pumpstrahl. Dieser optische Chopper 54 ist mit einem Lock-in- Erfassungssystem 56 verbunden, welches dazu verwendet wird, Signale einem schnellen digitalen Oszilloskop 36 zuzuführen.
5 schließlich stellt nun dar, wie das hybride Lichtführungs-/Freiraummesskonzept angewendet werden kann unter Verwendung einer Michelson-Vorrichtung. In 5 wird die Laserquelle 76 als Messstrahl verwendet. Diese kann ein CW-Laser sein, der bei einer Wellenlänge von ungefähr 1,5 μm emittiert, jedoch kann eine beliebige Wellenlänge verwendet werden, solange diese mit den Lichtleitern kompatibel ist, die für die Mono-Mode-Ausbreitung verwendet werden. Eine lineare Polarisierung ist für das Licht des Messstrahls erforderlich, die entlang einer der Eigenachsen der Doppelbrechungslichtleiter orientiert ist, welche den Referenzzweig 72 und den Messzweig 74 der Vorrichtung bilden. Ein optischer Isolator 80 ist zwischen der Ausgabe der Messstrahlquelle 76 und einem Ende eines 3 dB mono-mode, polarisationserhaltenden Lichtleiterkopplungselement 82 vorgesehen, wobei beide Enden mit dem Referenzzweig 72 und dem Messzweig 74 des Interferometers verbunden sind. Der Referenzzweig 72 weist einen Lichtleiter auf, der an einem Spiegel 86 endet. Der Spiegel 86 kann z. B. durch Verspiegeln des Lichtleiterendes entsprechend bekannter Verfahren hergestellt sein. Ein viertes Ende des Kopplungselements 82 ist mit einem Fotodetektor 84 verbunden, der zum Auslesen eines Interferometer-Dephasing geeignet ist. Die Fotodetektorausgabe ist auf einen Piezokontroller 48 gerichtet, der eine piezokeramische Scheibe 18 antreibt. Wie zuvor mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurde, kann eine Interferenzerzeugung des Interferometers mittels bekannter Mittel vorgesehen sein.
Ein freier Raumbereich ist in dem Messzweig 74 vorgesehen, der eine Kollimierlinse 22, planare, flächenförmige Polarisatoren 34 und 32 und einen Spiegel 78 aufweist. Die Polarisatoren 34 und 32 können durch einen polarisierenden Strahlteiler ersetzt werden. Eine zu testende Probe kann in den freien Raumbereich zwischen den Polarisatoren 34 und 32 positioniert werden. Ebenso ist ein Laser 70 vorgesehen, der gleich einer Laserquelle für den Pumpstrahl ist. Dieser wird normalerweise im Puls-Modus betrieben. In einem Beispiel ist der Laser 70 "Q-switched" mit Pulsen von 10 ns FWHM, der bei einer Wellenlänge von 1,064 μm emittiert. Dieser Pumpstrahl kann jedoch bei einer beliebigen Wellenlänge betrieben werden, die für die zu messenden Phänomene interessant ist, oder kann entweder moduliert oder "mode-locked" oder "Q-switched" sein. Es wird angenommen, dass die übrigen Details und der Betrieb dieser Konfiguration dem Fachmann offensichtlich sind, basierend auf der vorhergehenden Beschreibung der anderen Ausführungsformen, und es wird deshalb in diesem Zusammenhang hier nicht näher darauf eingegangen.
Der Anmelder hat beobachtet, dass ein Mach-Zehnder-Aufbau für ein hybrides Lichtführungs-/Freirauminterferometer Vorteile gegenüber einem Michelson-Aufbau besitzt, zumindest dahingehend, dass es hinsichtlich von Geräuschen weniger anfällig ist, und dass es einen besseren Schutz eines Mess-Photodetektors hinsichtlich des Einkoppelns des Pumpstrahls aufgrund ungewollter Reflektionen oder nicht-idealem Verhalten der dichroischen Spiegel oder Polarisatoren bietet.
Dem Fachmann ist ebenso offensichtlich, dass Linsen, die zum Fokussieren des Laserstrahls von den Lichtleitern in die zu testende Probe und von der zu testenden Probe in die Lichtleiter verwendet werden, durch ein beliebiges optisches System ersetzt werden können, welches dahingehend wirkungsvoll ist, den optischen Strahl jeweils zu kollimieren. Zusätzlich können hohe Doppelbrechungslichtleiter oder Single-Mode-Lichtleiter mit geringer Doppelbrechung für sowohl die Mach-Zehnder- als auch die Michelson-Konfiguration verwendet werden. Es kann entweder eine direkte oder eine differentielle Erfassung verwendet werden, und es können entweder dichroische Spiegel oder Polarisationen in dem Aufbau verwendet werden.
Obwohl die obige Beschreibung sich hauptsächlich auf den Aufbau des Interferometers richtet, so kann die Erfindung ebenso als ein Teil einer Vorrichtung zum Messen beliebiger Änderungen der physikalischen Umgebung des zu testenden Gegenstandes verwendet werden. Zum Beispiel, falls die Testprobe einen Brechungsindex besitzt, der sich mit geringfügigen Temperaturänderungen ändert, so kann die obige Vorrichtung als Detektor für solche Temperaturänderungen verwendet werden. Auf ähnliche Weise können andere Umweltbedingungen, die eine Änderung des Brechungsindex in den Testmaterialien verursachen können, unter Verwendung der oben beschriebenen Erfindung beobachtet werden.
Es ist aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich, dass einige Auswahlmöglichkeiten bezüglich des Designs bestehen, den Aufbau des Interferometers zu verändern, ohne dass vom Bereich der oben beschriebenen im Anschluss beanspruchten Erfindung abgewichen wird.

Claims

Ein Interferometer, umfassend: eine erste Lichtquelle (10) zur Verwendung als eine Quelle eines Messstrahls; ein Referenzzweig (13) zum Leiten eines Teils des Messstrahls von der ersten Lichtquelle (10) zu einem Ausgabedetektor (44), ein freier Raumbereich zum Befestigen einer zu testenden Probe (24), einen Messzweig (15), einen Photodetektor (44) zum Detektieren der Änderungen der optischen Eigenschaften der Probe (24) durch Vergleichen des von dem Referenzzweig (13) erhaltenen Signals mit dem von dem Messzweig (15) erhaltenen Signals, dadurch gekennzeichnet , dass der Referenzzweig (13) ein oder mehrere Lichtleiter (21) aufweist, un dass der Messzweig (15) eine Mehrzahl von Lichtleiter (20, 26) aufweist, um einen weiteren Teil des Messstrahles zum und von dem freien Raumbereich zu führen, und dass ein Linsensystem (22, 28), um den weiteren Teil des Messstrahles in den und von dem freien Raumbereich zu fokussieren, und eine zweite Lichtquelle (30) vorgesehen ist zur Verwendung als eine Quelle für einen Pumpstrahl, der zu der Probe (24) in dem freien Raumbereich zuzuführen ist, und wobei sämtliche Lichtleiterpfade lediglich dem Messstrahl ausgesetzt sind.
Ein Interferometer nach Anspruch 1, wobei die Lichtleiter (20, 21, 26) Monomode-Lichtleiter sind.
Ein Interferometer nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Polarisationskontroller (40, 41) entlang dem Mess-(15) oder dem Referenzweig (13).
Ein Interferometer nach Anspruch 1, wobei die Lichtleiter (20, 21, 26) polarisationserhaltende Lichtleiter sind.
Ein Interferometer nach Anspruch 1, ebenso umfassend einen Kopplungselement (42) zum Vereinigen des von dem Referenzzweig (13) erhaltenen Signals und dem von dem Messzweig (15) erhaltenen Signals in ein Interferenzsignal, und zum Koppeln des Interferenzsignals in den Photodetektor (44).
Ein Interferometer nach Anspruch 1, wobei der Mess- und Pumpstrahl kollinear innerhalb der Probe (24) sind.
Ein Interferometer nach Anspruch 6, ebenso umfassend einen Auswahlreflektor (32) in dem freien Raumbereich zum Reflektieren des Pumpstrahls zur Probe (24) und zum Transmittieren des Messstrahls.
Ein Interferometer nach Anspruch 7, wobei der Auswahlreflektor ein dichroischer Spiegel ist.
Ein Interferometer nach Anspruch 7, wobei der Auswahlreflektor ein Polarisator ist.
Ein Interferometer nach Anspruch 7, ebenso umfassend eine Auswahltransmissionsvorrichtung (34) in dem freien Raumbereich zum Transmittieren des Messstrahls und zum Verhindern des Eintretens des Pumpstrahls in die Lichtleiter (20).
Ein Interferometer nach Anspruch 10, wobei die Auswahltransimissionsvorrichtung ein dichroischer Spiegel ist.
Ein Interferometer nach Anspruch 10, wobei die Auswahltransmissionsvorrichtung ein Polarisator ist.
Ein Interferometer nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Rückkoppelschaltkreis, der einen Piezokontroller (48) zum Beibehalten der 90°-Phasenverschiebung des Interferometers umfasst.
Ein Interferometer nach Anspruch 1, des weiteren umfassend ein Mittel zum periodischen Modulieren der Phase des Signals entlang dem Referenz- oder Messzweig (13, 15).
Ein Verfahren zum Messen der optischen Eigenschaften einer Probe (24), mit den Schritten: Erzeugen eines Mess-Laserstrahls; Weiterleiten eines Teils des Messstrahls in eine erste Lichtleiter (21) und eines weiteren Teils des Messstrahls in einen zweiten Lichtleiter (20, 26); Befestigen der Probe (24) in einem freien Raumbereich, in dem der zweite Lichtleiter (20, 26) unterbrochen ist; Beleuchten der Probe (24) in dem freien Raum mit einem Pumpstrahl, wobei die Lichtleiter lediglich dem Messstrahl ausgesetzt sind, und Vergleichen der Ausgaben des ersten (21) und zweiten Lichtleiters (20, 26), um die optischen Eigenschaften der Probe (24) zu bestimmen.
Ein Verfahren zum Messen der optischen Eigenschaften einer Probe (24) nach Anspruch 15, wobei eine detektierte optische Eigenschaft der Brechungsindex ist.
Ein Verfahren zum Messen der optischen Eigenschaften einer Probe (24) nach Anspruch 15, wobei eine detektierte optische Eigenschaft die Absorption ist.
Ein Verfahren zum Messen der optischen Eigenschaften einer Probe (24) nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Vergleichens das Vereinigen der Ausgabe des ersten (21) und des zweiten Lichtleiters (20, 26) in ein Interferenzsignal und das Messen der Intensität des Interferenzsignals aufweist.
Ein Verfahren zum Messen der optischen Eigenschaften einer Probe (24) nach Anspruch 18, umfassend den Schritt des Kontrollierens der Länge von einem der ersten (21) und zweiten Lichtleiter (20, 26) über einen Rückkoppelschaltkreis, um so eine 90°-Phasenbedingung für das Interferenzsignal beizubehalten.
Ein Verfahren zum Messen der optischen Eigenschaften eine Probe (24) nach Anspruch 15, umfassend den Schritt des periodischen Modulierens der Phase eines Signals entlang des ersten (21) oder des zweiten Lichtleiters (20, 26).
Ein Verfahren zum Messen der Veränderungen einer Umweltbedingung, die die optischen Eigenschaften einer Probe (24) beeinflusst, umfassend die Schritte: Messen der optischen Eigenschaften der Probe (24) nach Anspruch 15, und Bestimmen der Veränderung der Umweltbedingung basierend auf der Veränderung der optischen Eigenschaften der Probe (24).