DE736766T1

DE736766T1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex von Scheiben aus glasartigem Material

Info

Publication number: DE736766T1
Application number: DE0736766T
Authority: DE
Inventors: Luigi Tallone
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 1997-04-03
Also published as: EP0736766A1; IT1280841B1; CA2173564A1; JP2787809B2; US5659393A; CA2173564C; ITTO950259A0; ITTO950259A1; EP0736766B1; JPH08285725A

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindex einer plane, parallele Flächen aufweisenden Scheibe aus vitrösem Material, bei dem eine Quelle (1) ein Lichtbündel erzeugt, das zur Scheibe (4) mit unterschiedlichen Einfallswinkeln gesendet wird, und die Intensität des durch die Scheibe übertragenen Lichtbündels bei den Änderungen des Einfallswinkels gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß: das von der Quelle (1) erzeugte Bündel ein kohärentes monochromatisches Bündel ist, dessen Kohärenzlänge die Dicke der Scheibe (4) übertrifft;
das Bündel, bevor es zur Scheibe (4) gesendet wird, in ein kollimiertes Bündel mit ebener Wellenfront umgewandelt wird, um bei den Änderungen des Einfallswinkels Veränderungen in der Durchlässigkeit der Scheibe (4) aufgrund der durch mehrfache Reflexionen des Bündels innerhalb der Scheibe (4) erzeugten Interferenz zu bewirken;

die Werte der Durchlässigkeit der Scheibe (4) aus den gemessenen Intensitätswerten erhalten werden;
die Winkelpositionen der Maxima und Minima der Durchlässigkeit innerhalb

eines gegebenen Einfallswinkelbereichs in Bezug auf einen Wert, der dem Normal-Einfällen entspricht, bestimmt werden und der Brechungsindex aus diesen Positionen und aus der Anzahl der Minima und Maxima bei den verschiedenen Winkeln erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kolürnierte Bündel so polarisiert wird, daß das elektrische Feld parallel zur Ebene des Einfallens auf der Scheibe (4) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auswählen einer begrenzten Fläche der Scheibe (4) das von der Scheibe (4) übertragene Bündel durch eine Membran (10) geleitet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässigkeitswerte der Scheibe (4) aus dem Verhältnis der Intensität eines ersten Bruchteils des kollimierten Bündels, der zur Scheibe (4) gesendet wird, zur Intensität eines zweiten Bruchteils des Bündels, der ein Referenzbündel darstellt, gebildet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Positionen der Durchlässigkeitsmaxima und -minima eine erste Kurve, die die Durchlässigkeit als Funktion des Einfallswinkels wiedergibt, und eine zweite Kurve, die einen Mittelwert der Durchlässigkeit als Funkion des Einfallswinkels wiedergibt, ausgehend von den gemessenen Durchlässigkeitswerten konstruiert wird; daß die Schnittpunkte zwischen den beiden Kurven bestimmt werden derart, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schnittpunkten größer ist als ein vorgegebener Bruchteil der Periode der Durchlässigkeitsveränderungen entsprechend den Schnittpunkten, um so die erste Kurve in Intervalle zu unterteilen, von denen jedes ein Durchlässigkeitsmaximum und ein Durchlässigkeitsminimum enthält; daß die erste Kurve in jedem

Intervall durch eine Polynomialfunktion passenden Grads des Einfallswinkels angenähert wird; und daß die Positionen der Maximum- und der Minimumpunkte dieser Polynomialfunktionen analytisch bestimmt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex erhalten wird durch: Zählen, für jeden Einfallswinkel, der Anzahl der Durchlässigkeitsmaxima und -minima (im folgenden bezeichnet als "experimenteller Wert" der Anzahl der Maxima und Minima), die mit Hilfe der Unterteilung der ersten Kurve erhalten werden und zwischen dem Winkel des Normal-Einfallens und dem gerade betrachteten Winkel auftreten; und durch Minimierung der Differenzen zwischen den experimentellen Werten und den entsprechenden Werten einer analytischen Funktion des Einfallswinkels, des Brechungsindex, der Scheibendicke und der Bündelwellenlänge, deren Wert in Übereinstimmung mit dem Normal-Einfällen 0 ist und bei der ganzzahlige Werte jeweils die Summe der Durchlässigkeitsmaxima und -minima wiedergeben, die zwischen dem Normal-Einfällen und dem Winkel, der dem betreffenden ganzzahligen Wert entspricht, auftreten.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung für jeden Einfallswinkel die folgenden Differenzen berechnet werden: die Differenz zwischen dem experimentellen Wert, der diesem Winkel zugeordnet ist, und dem experimentellen Wert, der einem ersten Referenzwinkel zugeordnet ist, sowie die Differenz zwischen den Werten, die durch die analytische Funktion im betrachteten Einfallswinkel und im Referenzwinkel angenommen werden; und diese Differenzen in Bezug auf die Werte, die sie annehmen, wenn der Einfallswinkel gleich einem zweiten Referenzwinkel ist, normalisiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Referenzwinkel der Winkel des Normal-Einfallens oder ein Winkel, der einem der Durchlässigkeitsmaxima oder -minima nahe dem dem Normal-Einfällen zugeordneten Maximum oder Minimum entspricht, ist und der zweite Referenzwinkel der

Extremwinkel dieses Bereichs oder ein Winkel nahe diesem Extrem ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die experimentellen Werte der Anzahl von Maxima und Minima, die den Referenzwinkeln entsprechen, durch Interpolation erhalten werden, und zwar von einer gegebenen Anzahl von vorhergehenden und nachfolgenden Werten.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe eine Fluoridglasscheibe ist, die aus einer Vorform einer optischen Faser erhalten wird.

11. Vorrichtung für die Bestimmung des Brechungsindex einer Scheibe (4) aus vitrösem Material und mit planen, parallelen Flächen, wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine Quelle (1) eines Lichtbündels;

- Einrichtungen (2, 3, 5), die zumindest einen Bruchteil des Bündels zur Scheibe (4) senden;

- einen Träger (9) für die Scheibe (4), der mit Einrichtungen verbunden ist, die seine Drehung zur Änderung des Einfallswinkels des Bündels auf die Scheibe bewirken, und mit Einrichtungen (10), die die Winkelposition des Trägers (9) feststellen;

Einrichtungen (11, 12), die das aus der Scheibe (4) austretende Bündel aufnehmen und Signale abgeben, die die Intensität dieses Bündels wiedergeben;

ein Verarbeitungssystem (8), das die Bewegungen des Trägers (9) steuert und die Intenstiätssignale in der erforderlichen Weise zum Erhalten des Brechungsindex verarbeitet;
dadurch gekennzeichnet, daß

die Quelle (1) eine Quelle eines kohärenten monochromatischen Bündels ist, dessen Kohärenzlänge die Dicke der Scheibe (4) übertrifft;

- die Einrichtungen (2, 3, 5), die wenigstens "einen Bruchteil des Bündels zur Scheibe (4) senden, ein räumliches Filter (2) umfassen, das zwischen der Quelle (1) und der Scheibe (4) angeordnet ist und so ausgebildet ist, daß es das von der Quelle (1) emittierte Bündel in ein kollimiertes Bündel mit einer ebenen Wellenfront umformt, um Veränderungen der Durchlässigkeit der Scheibe (4), wenn sich der Einfallswinkel ändert, aufgrund der Interferenz durch mehrfache Reflexionen des Bündels innerhalb der Scheibe (4) zu bewirken; und

- das Verarbeitungssystem (8) dazu ausgebildet ist: aus den Intensitätssignalen die Werte der Durchlässigkeit der Scheibe (4), während sich der Einfallswinkel des Bündels ändert, zu erhalten; die Positionen der Durchlässigkeitsmaxima und -minima in Bezug zu einem Wert, der dem Normal-Einfällen entspricht, zu bestimmen; und aus diesen Positionen und aus der Anzahl der Maxima und Minima den Brechungsindex zu erhalten.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens einen Bruchteil des von der Quelle (1) emittierten Bündels zur Scheibe (34) sendenden Einrichtungen (2, 3, 5) außerdem einen Polarisator (5) umfassen, der zwischen das räumliche Filter (2) und die Scheibe eingesetzt ist, zum Polarisieren des kollimierten Bündels oder zumindest eines Bruchteils des kollimierten Bündels so, daß das elektrische Feld parallel zur Einfallsebene auf der Scheibe (4) ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß:

die wenigstens einen Bruchteil des von der Quelle (1) emittierten Bündels zur Scheibe (4) sendenden Einrichtungen einen Strahlspalter (3) umfassen, der stromunterhalb des räumlichen Filters (2) angeordnet ist und das kollimierte Bündel in einen ersten Bruchteil, der, gegebenenfalls über den Polarisator (5), zur Scheibe (4) gesendet wird, und einen zweiten Bruchteil, der ein Referenzbündel bildet, teilt;
Einrichtungen (6, 7) zum Empfangen des Referenzbündels und zum Liefern

eines die Intensität dieses Bündels wiedergebenden Signals vorhanden sind; und

das Verarbeitungssystems (8) dazu eingerichtet ist, die Scheiben-Durchlässigkeitswerte zu verarbeiten, die aus dem Verhältnis der Intensitäten der beiden Bündelbruchteile zueinander erhalten werden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Scheibe (4) und der das übertragene Bündel aufnehmenden Einrichtung (12) eine bewegliche Membran (10) zum Selektieren eines Bündelteils, der aus einer begrenzten Fläche der Scheibe austritt, angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhalten des Brechungsindex das Verarbeitungssystem dazu eingerichtet ist, die folgenden Verarbeitungsfunktionen durchzuführen:

- beginnend mit den empfangenen Durchlässigkeitswerten, Bestimmen einer ersten Kurve, die die Durchlässigkeit als Funktion eines Einfallswinkels wiedergibt, und einer zweiten Kurve, die einen Mittelwert der Durchlässigkeit als Funktion des Einfallswinkels wiedergibt;

Bestimmen der Schnittpunkte der beiden Kurven miteinander so, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten einen gegebenen Bruchteil der Periode der Durchlässigkeitsveränderungen in Übereinstimmung mit diesen Punkten übertrifft, um so die erste Kurve in Intervalle zu unterteilen, von jedes ein Maximum und eine Minimum der Durchlässigkeit enthält;

Annähern der experimentellen Kurve in jedem Intervall durch eine Polynomialfunktion geeigneten Grads des Einfallswinkels;

analytische Bestimmung der Maximum- und der Minimumpunkte dieser Polynomialfunktion;

für jeden Einfallswinkel, Zählen der Anzahl der Durchlässigkeitemaxima und -minima (im folgenden bezeichnet als "experimentelle Werte" der Anzahl der

Maxima und Minima), die mit Hufe der Unterteilung der erste Kurve erhalten wurden und zwischen dem Winkel des Normal-Einfallens und dem gerade betrachteten Winkel auftreten, und Minimieren der Differenzen zwischen den experimentellen Werten und den entsprechenden durch eine analytische Funktion des Einfallswinkels, des Brechungsindex, der Scheibendicke und der Bündelwellenlänge angenommenen Werten, deren Wert in Übereinstimmung mit dem Normal-Einfällen 0 ist und deren ganzzahlige Werte jeweils die Summe der Durchlässigkeitsmaxima und -minima wiedergeben, die zwischen dem Normal-Einfällen und dem Winkel, der dem betreffenden ganzzahligen Wert entspricht, auftreten.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (4) eine aus einer Vorform einer optischen Faser erhaltene Fluoridglasscheibe ist.