WO2013067996A1 - Optische faser zum gefilterten sammeln von licht, insbesondere von raman-streustrahlung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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    • G02B2006/02157—Grating written during drawing of the fibre

Definitions

  • Optical fiber for filtered collection of light in particular Raman scattered radiation and method for its production
  • the invention relates to an optical fiber for the filtered collection of light, in particular Raman scattered radiation, of
  • monochromatically excited light sources is produced, and a method for their preparation.
  • Raman spectroscopy is based on the inelastic light scattering of photons on matter / molecules. Photons interact with the molecules in such a way that they are scattered elastically, ie that they do not undergo any energetic interaction with the molecule or the sample (Rayleight scattering) or perform an energetic interaction, ie emit energy to the molecule (Stokes scattering) or energy from certain molecules Get vibrational or rotational states of the molecule (anti-Stokes scattering).
  • the filters used there which are located in front of the entrance surfaces of the collection fibers of the probe, have several tasks.
  • the excitation light which is brought to the sample from the excitation fiber, has to be freed of background signals which are generated in the fiber.
  • the excitation light must be filtered before entering the collection fibers. This happens for
  • Fiber bundles are, for example, the subject of US 7,383,077 B2; US
  • the probes shown in FIGS. 1 and 2 have the disadvantage of being in rigid, inflexible measuring heads
  • Curvatures, or the unfiltered part of the fibers may be made only very short, otherwise the interference signals superimpose the desired Ramansignale.
  • US 5,862,273 A relates to single mode fibers used to collect the light, since these provide the opportunity to use FBGs as "internal filters.”
  • these fibers have the significant disadvantage that their Naturally, collection efficiency is very poor. Therefore, there is proposed to use a fiber bundle of several single-mode fibers, in which previously each an FBG was written. However, such a manufacturing process is extremely time consuming and must be done separately for each individual fiber.
  • the fibers would have, if one would
  • Probe fiber with integrated central excitation fiber want to create this bundled, which is a very high
  • the area of a single-mode core (SM) with a diameter of 5 ⁇ m corresponds to: 19.6 ⁇ 2
  • the area of a multimode core (MM) with a diameter of 100 ⁇ ⁇ ) corresponds to: 7853 pm 2 . This results in a ratio of 400: 1
  • the handling limit for fibers is around 30 to 40 ⁇ m. At such a small thickness (ie outer diameter of a single Fiber), however, the fibers are very brittle. In particular, that
  • Multi-functional fibers have to be executed very many work steps. First, the fibers must be bundled and stabilized.
  • filters must be placed on the fiber head and adjusted. In order to produce a complete probe, several days are required with stock of all parts (fibers, filters, plugs, sleeves, etc.), which requires a great deal of time and money.
  • the present invention are concrete requirements on the part of
  • the present invention is therefore the object of the
  • an optical fiber and a method for the production thereof with a plurality of closely adjacent single-mode cores is proposed, which should allow no or only a very small coupling of the light guided in the cores and has excellent collecting properties.
  • Tool is provided for the preferred intended use.
  • Fig. 3a-e schematically shows the first stages of the process for producing a fiber, a plurality of
  • Fig. 4 is a first schematic sectional view through a
  • Example fiber structure to explain relevant quantities 5 shows an exemplary calculated splitting of the Bragg
  • Fig. 6 is a schematic sectional view through an exemplary fiber assembly according to the invention before warping;
  • Fig. 7 is an SEM image (scanning electron microscope) of the real after
  • FIG. 6 is an exemplary exemplary fiber
  • FIG. 8 shows the same image according to FIG. 7 in white light
  • FIG. 9 is an exemplary estimation according to the present
  • Invention providable fiber cores based on a predetermined cross section
  • Fig. 10 is a fictitious according to the known prior art
  • Fig. 11 is a further fictitious according to the prior art of
  • Fig. 13 shows an exemplary fiber Bragg grating for
  • FIG. 16 shows an exemplary single multicore single mode fiber without excitation core.
  • FIGS. 1 and 2 show embodiments according to the known prior art, to which the associated disadvantages have already been explained in detail above.
  • FIGS. 3a to 3e Before describing preferred embodiments of the optical fiber created according to the present invention in more detail, its basic production will be discussed in more detail, as shown schematically in FIGS. 3a to 3e.
  • the starting point is a preform P (FIG. 3a) for producing a single mode fiber.
  • FOG. 3a preform P for producing a single mode fiber.
  • This preform P becomes a semi-finished product P1 with a manageable, and thus not fragile, outer diameter of the order of 1 mm, with those known for fiber production and therefore not explained here and in the following Procedure, undressed.
  • This semi-finished product P1 is singulated into predeterminable sections P11... P1 n of the same length. The sections
  • P11... P1n are brought to the desired specification, preferably symmetrically, in flush packing in an overflow pipe Ü flush (FIG. 3c).
  • the thus obtained structure, shown schematically in Fig. 3d, is then pulled out, wherein by the
  • Diameters d represents, which are embedded from each other at a distance ⁇ in a medium with refractive index n 2 .
  • the cores described here are exactly these Property, ie the final one
  • Fiber drawing process has to be done so that the desired
  • Core diameter d can be achieved.
  • the mode in which all the waveguides are in phase is called the basic mode.
  • the effective refractive indices can be numerically calculated, for example by means of a finite
  • FIG. 5 shows a calculated splitting of the Bragg reflection wavelength, due to the nuclear interaction for different ratios d / ⁇ . Gray marked is the work area of such a fiber to be observed according to the present invention.
  • Refractive indices due to the interaction of the core modes, represented by the calculated shift of the Bragg wavelength, shown in each individual optical fiber. It can be seen that for a maximum split of 0.2 nm, the ratio d / ⁇ must remain smaller than 0.8. In this area, the optical fiber can be operated. Advantageously, however, worked in a range in which the refractive index splitting below the spectral lattice width of the still within the scope of the invention
  • FIG. 6 shows an exemplary sectional image, corresponding to the process stage according to FIG. 3d.
  • the preform P (Figure 3a) was drawn out to a 1 mm diameter semi-finished product P1 ( Figure 3b) and divided into the required number of segments. These segments (see Fig. 3c) are assembled in the example shown to a 2-ring hexagonal arrangement (see Fig. 6: white circles with black core shown). In the example, this package is surrounded by two rows of undoped quartz glass rods of the same diameter, which are likewise packed in hexagonal fashion (compare Fig. 6: white, unfilled circles).
  • predetermined maximum outer diameter of the fully drawn optical fiber for example. In the order of 1 mm
  • Outer diameter can accommodate much more individual core cores, even if centrally still advantageously an excitation fiber is provided.
  • an exemplary estimation will be made below with reference to FIG. 9, wherein the multiplicity of cores provided here are only indicated in the image.
  • the maximum probe diameter should be 0.5 mm
  • a central excitation core with a diameter of 20 ⁇ should be provided in the example
  • the distance of the collecting fibers from the excitation core should be 30 m in this example, from which it follows that
  • Probe cross section would thus result, with a distance core - core (pitch ⁇ ) of 10 ⁇ , 45 more rings
  • Excitation core has the disadvantage that only very few collection fibers can be used on a limited area. If one specifies a maximum probe diameter of 0.5 mm, obtained with standard fibers (125 ⁇ outer diameter), an arrangement in which a maximum of 18 collection fibers can be used, here already, for simplicity, a larger outer diameter of the probe of 0.625 mm is assumed , These relationships are illustrated in FIG. Such a fiber would be, with respect to the case of the intended application then to be achieved low
  • Stabilization sleeve would have to be held together. Furthermore, each fiber would have to be separated one after another and before
  • an excitation fiber should be integrated into the central core of the optical fiber in a particularly advantageous manner at the same time.
  • the central core may consist of a photo-insensitive material (eg Al doping) which is embedded in many cores of photosensitive material (eg Ge-doping) so that only the collection fibers are affected during the write-in process of the FBGs.
  • the excitation core could also be dimensioned here as a multimode core, as a result of which the filter effect is reduced to a minimum even in the case of an FBG inscribed here.
  • This makes it possible to completely dispense with filters in front of the fiber, which allows a much smaller and more flexible structure than hitherto known fiber probes.
  • the singlemode fibers used are to have a single mode, they are to be manufactured in a predeterminable manner, the parameters to be observed in each case being chosen according to the invention basically according to the same principle.
  • two specific examples of different wavelengths are given below, namely:
  • the preform is preferably made by combined preforming in a "stack-and-draw” technique
  • the "cut-off" wavelength (wavelength at which a nucleus becomes multimodal) of the resulting nuclei can be estimated by the V parameter which includes:
  • Range for which they are to be provided in a later step with a wavelength-selective fiber Bragg grating (FBG), are single-mode.
  • FBG fiber Bragg grating
  • An example fiber for singlemodidity at 785 nm and a core diameter of 5 ⁇ m gives a numerical aperture of NA 0.1.
  • a large photosensitivity of the light-guiding core is achieved by the highest possible germanium doping. Associated with this is a sharp increase in the refractive index of:
  • the exemplified realized preform has a core doping of about 6 mol% Ge0 2 and 7 mol% B 2 0 3 .
  • the resulting refractive index increase of the core is about 4 ⁇ 10 -3 , corresponding to a numerical
  • the core-shell ratio of the primary preform is 0.5. This is achieved in the example by the deposition of 27 Ge-B-doped layers.
  • the preform P has a maximum
  • This preform P then becomes 1 mm bars
  • Outer diameter (core diameter: 0.5 mm) elongated.
  • Multi-element hexagonal pack assembled and provided with a Kochfangrohr Ü. After collapsing this
  • the final fiber is drawn.
  • the drawing temperature is the doping level and the effective
  • Doping cross-section adapted in a manner befitting a professional.
  • This sample fiber for 785 nm has the following parameters:
  • the production of the 19 structural elements listed in this example for reasons of clarity is carried out by means of a MCVD method.
  • the refractive index profile is also adjusted here by germanium oxide boron oxide codoping. In this case, the highest possible concentration of germanium is sought in order to achieve a high photosensitivity during the later Bragg lattice inscription.
  • Incriminating fiber Bragg gratings must be made selectively such that a designated excitation core is not affected. If you want to produce an optical fiber according to the present invention, which should contain only collecting cores (ie no excitation fiber), other methods, for example. An FBG registered with the help of femtosecond lasers are used, the no
  • a predeterminable prepared according to the above specifications and extended fiber (according to Fig. 3e) is divided into the desired lengths (eg., 1-2 m) and with a UV-curing
  • the invention is based on the discovery that a simultaneous writing of fiber Bragg gratings in the proposed multi-core fiber technically, contrary to expectations, is actually possible. At the same time, gratings with an attenuation factor greater than 99% could be generated by simultaneous
  • Registered letters can be realized in several cores.
  • Fiber cores can be done in accordance with the principle known for individual fibers, but here with the procedural essential difference that all Bragg gratings, in contrast to comparable gratings according to the prior art, are simultaneously inscribable, since they by their homogeneous embedding in them surrounding material of refractive index n 2 , which has no imaging effect, are all detectable by a corresponding executed Einschreibska without, as was found, Abschatt bine play a noticeable role.
  • the reflection wavelength of a Bragg grating is known to be given by
  • the reflection wavelength ⁇ ⁇ 2 ⁇ n 1 ⁇ G, where the ⁇ ⁇ reflection wavelength and G is the spacing of the grating lines of the grating and n 1 represents the refractive index of the fiber cores.
  • the reflection wavelength ⁇ ⁇ can be calculated by the distance of the grating lines in the fiber. It can be seen that the reflection wavelength depends on the selected core refractive index.
  • This reflection wavelength is not strict, but has a certain width (spectral width of a Bragg grating), which is typically between 0.1 and 0.6 nm (see Fig. 13 below, image in the middle).
  • Fiber Bragg gratings are based on the targeted modulation of the
  • the grating spacings must be adjusted so that the optical path (half the wavelength ⁇ refractive index) is equal to G
  • the maximum allowed splitting should be chosen so that the spectral width of an FBG all possible Brechiereaufspaltitch covers.
  • d / ⁇ 0.545, covering a ⁇ of 784.9 to 785.1 nm.
  • the relatively small area (about 0.3 nm) in which the fiber Bragg grating can effectively reflect is thus adapted to the specific specifications of the other parameters, in particular the ratio d / ⁇ .
  • the surrounding nuclei can also reflect the target wavelength for a fixed geometry (ie the same grid spacing) (compare the thick horizontal lines in FIGS. 5 and 12). This results in the gray areas
  • Raman probe with fiber according to the invention can be applied to a
  • Standard spectrometer with a single-mode laser and, for example.
  • an excitation fiber could be made completely separate, which is surrounded by several created according to the present invention multicore single mode fiber.
  • FIG. 15 shows a variant with several multicore singlemode fibers which were each provided with an FBG and surround a central excitation fiber.
  • Figure 16 shows a single multicore single mode fiber without excitation core.
  • Wavelength mirrored i.e., a Bragg grating inscribed
  • Wavelength mirrored i.e., a Bragg grating inscribed
  • the location where the fiber Bragg gratings are inscribed in the drawn-out fiber is inscribed in the vicinity of the distal light entrance end L d (ie the fiber end face facing the measurement site) and preferably on the order of 0.5-1 cm away from the entrance surface.
  • Contamination or damage to the front surface can be easily cleaned or abraded without the optical fiber itself having to be discarded.
  • the collective optical fiber created in accordance with the invention in particular for Raman scattered radiation, has very good collection properties, especially as a multiplicity of single-mode fibers with identical fiber Bragg gratings can be arranged on the smallest cross sections with the aid of the method according to the invention.
  • the result in the present invention is an increase of almost 500 times
  • grids can be inscribed simultaneously in all cores by the proposed method of manufacture, which makes the
  • Curvature radii can be made below 5 mm.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Faser zum gefilterten Sammeln von Licht, insbesondere von Raman-Streustrahlung, die von monochromatisch angeregten Lichtquellen erzeugt wird, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Aufgabe, eine derartige Faser anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik behebt und die einen möglichst kleinem Außendurchmesser (< 1 mm) der Faser über Weglängen > 1 m und möglichst kleine Biegeradien unter 5 mm aufweist, wird dadurch gelöst, dass pro einer Querschnittsfläche von 7853 μm2 mindestens 19 einzelne Singlemodefaserkerne mit einer Brechzahl (n1) und mit einem Kerndurchmesser d, welche in einem homogenen Medium gleicher Brechzahl (n2) eingebettet sind, vorgesehen sind, deren gegenseitiger Kernabstand (Pitch Λ) zueinander in der Größenordnung Λ = 2 ⋅ d beträgt und gemäß der Beziehung (F) entsprechend der vorgesehenen Anregungswellenlänge (λ) vorgebbar festgelegt ist und in alle Singlemodefasern nach dem Ausziehen gemeinsam und lateral in identischer Lage in jeden Singlemodefaserkern ein Faser Bragg-Gitter (FBG) eingeschrieben ist.

Description

Optische Faser zum gefilterten Sammeln von Licht, insbesondere von Raman-Streustrahlung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine optische Faser zum gefilterten Sammeln von Licht, insbesondere von Raman-Streustrahlung, die von
monochromatisch angeregten Lichtquellen erzeugt wird, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Die Raman Spektroskopie basiert auf der inelastischen Lichtstreuung von Photonen an Materie / Molekülen. Photonen interagieren mit den Molekülen in der Weise, dass diese elastisch gestreut werden, also keine energetische Interaktion mit dem Molekül oder der Probe eingehen (Rayleight Streuung) oder eine energetische Wechselwirkung vollziehen, also Energie an das Molekül abgeben (Stokes Streuung) oder Energie von bestimmten Schwingungs- oder Rotationszuständen des Moleküls bekommen (Anti-Stokes Streuung).
Damit einher geht eine Frequenzverschiebung des Lichtes, welche Rückschlüsse über die vorliegenden Spezies oder
Stoffzusammensetzung erlaubt. Diese Art der Spektroskopie wird derzeit in vielen Bereichen eingesetzt, wie z.B. Prozesskontrolle, Medizin, Stoffanalyse und andere. Nach dem bekannten Stand der Technik werden dabei üblicherweise Raman-Mikroskope eingesetzt, welche aus einem Spektrometer, einem Laser und einem Mikroskop bestehen. Derartige Mikroskope haben den Vorteil, dass fokussierende Elemente, meist Objektive, zum Erhöhen der Anregungsleistung auf eine Probe fokussiert werden können und gleichzeitig die entstehende Streustrahlung durch das gleiche Objektiv gesammelt werden kann.
Für viele Anwendungen sind jedoch Mikroskope nicht einsetzbar, weil diese zu groß und voluminös sind. Daher sind sogenannte Raman- Sonden, auf Basis von Lichtleitfasern, seit einigen Jahren ein stark bearbeitetes Gebiet der Forschung und Entwicklung.
Kommerziell verfügbare Fasersonden haben meist einen großen Durchmesser oder sind nicht flexibel genug, um diese in schwer zugänglichen Bereichen, z.B. in Arterien oder Adern von Menschen, einzuführen. Dieser Nachteil entsteht meist durch die Verwendung von Filtern, welche notwendig sind, um Untergrundsignale der Fasersonde selbst zu unterdrücken. In beiliegenden Figuren 1 und 2 sind unter „Stand der Technik" Beispiele für kommerziell erhältliche Fasersonden oder Prototypen der Firmen InPhotonics (siehe
http://www.inphotonics.com/technote13.pdf) und EMVision (Shim, M.G. et al. Study of Fiber-Optic Probes for in Vivo Medical Raman
Spectroscopy; Applied Spectroscopy 53, 619-627(1999); siehe auch: http://emvisionllc.com/index.html) exemplarisch gezeigt.
Die dort eingesetzten Filter, welche sich vor den Eintrittsflächen der Sammelfasern der Sonde befinden, haben mehrere Aufgaben. Zum einen muss das Anregungslicht, welches aus der Anregungsfaser zur Probe gebracht wird, von Untergrundsignalen, welche in der Faser entstehen, befreit werden. Zum anderen muss das Anregungslicht vor Eintritt in die Sammelfasern gefiltert werden. Dies geschieht zum
Beispiel durch separat gefertigte Filter, welche dann auf die Frontfläche der Sonde aufgebracht werden. Detaillierter sind solche Lösungen bspw. in US 6,222,970 B1 beschrieben. Beschichtungen des
Faserbündels sind bspw. Gegenstand von US 7,383,077 B2; US
6,006,001 oder Komachi, Y. et al. Micro-optical fiber probe for use in an intravascular Raman endoscope, Appl. Opt. 44, 4722-4732 (2005) and Komachi, Y. et al. Improvement and analysis of a micro Raman probe, Applied optics 48, 1683-96 (2009).
Des Weiteren weisen die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Sonden den Nachteil auf, dass sie in starren, unflexiblen Messköpfen
untergebracht sind, die sich in die Größenordnung von jeweils über 10 cm erstrecken und somit für den nach vorliegender Erfindung bevorzugten Anwendungszweck von vornherein ausscheiden. Um eine hinreichende Sammeleffizienz zu gewährleisten, bedienen sich alle vorstehend genannte Lösungen des Einsatzes von Multimode- Lichtleitfasern.
Ein anderer, nach dem Stand der Technik beschrittener Weg ist, einen Messkopf in den Dimensionen größer zu bauen und beide Lichtwege (d.h. für die Anregung und das Sammeln) voneinander getrennt, über Linsen, Spiegel und Filter auszuführen. Dies ist unter anderem in Shim, M.G. Evaluation of fiber optic probes for in-vivo Raman spectroscopy, Proceedings of SPIE 3257 208 - 217 (1998) und Short, M.A. et al. Development and preliminary results of an endoscopic Raman probe for potential in vivo diagnosis of lung cancer, Optics Letters 33, 711- 713 (2008), sowie bei kommerziell erhältlichen Sonden o.g. Firma InPhotonics der Fall. Solchen Aufbauten haftet jedoch wiederum der Nachteil an, dass sie sehr voluminös sind und nicht in kleine Gefäße oder Katheter eingeführt werden können, insbesondere nicht in
Krümmungen, oder der ungefilterte Teil der Fasern nur sehr kurz ausgeführt werden darf, da sonst die Störsignale die gewünschten Ramansignale überlagern.
Zur Umgehung der evidenten Nachteile separat vor das Faserende aufgebrachter Filter sind im Stand der Technik weitere Lösungen beschrieben. So wird in US 5,862,273 A vorgeschlagen, Faser-Bragg- Gitter (FBG) als interne Filter in Fasersonden zu nutzen. Dafür wird dort eine Anregungsfaser, welche das Laserlicht zur Wirkungsstelle bringt, mit einem FBG so versehen, dass dieses durch bestimmte physikalische Effekte für einen breiten Bereich verspiegelt ist und nur für einen sehr schmalen Bereich, welcher der Laserwellenlänge entspricht, entspiegelt („gechirpt") ist. Weiterhin werden eine oder mehrere zweite Fasern als Sammelfasern eingesetzt, welche mit einem normalen FBG versehen sind, um das generierte Streulicht zu sammeln und dieses zu einem Detektor zu führen. Aus den
angegebenen Literaturstellen (z.B. US 4,807,950, US 5,367,588) kann darauf geschlossen werden, dass die benötigten, hochreflektiven FBGs nur in Single Mode Fasern eingeschrieben werden können. Auf die Möglichkeit FBGs in Multimodefasern zu nutzen, wird dort näher eingegangen. Diese besitzen jedoch, wie angemerkt, den Nachteil, dass höhere Moden, welche in dem Wellenleiter geführt werden, nicht effektiv geblockt werden können und dadurch nur sehr geringe
Filtereigenschaften aufweisen.
Schließlich wird sich in US 5,862,273 A auf Single Mode Fasern bezogen, welche zum Sammeln des Lichtes verwendet werden, da diese die Möglichkeit bieten, FBGs als„interne Filter" zu verwenden. Diese Fasern haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass deren Sammeleffizienz naturgegeben sehr schlecht ist. Daher wird dort vorgeschlagen, ein Faserbündel aus mehreren Single Mode Fasern zu verwenden, in welche zuvor jeweils ein FBG eingeschrieben wurde. Ein solcher Herstellungsprozess ist jedoch äußerst zeitaufwendig und muss separat für jede einzelne Faser durchgeführt werden.
Weiterhin müssten die Fasern anschließend, würde man eine
Sondenfaser mit integrierter zentraler Anregungsfaser schaffen wollen, um diese gebündelt werden, was einen ausgesprochen hohen
Fertigungsaufwand bedingen würde.
Kommerziell verfügbare Standardfasern mit einem Außendurchmesser von 125 μιη und einem Kerndurchmesser von 5 - 10 μιη bilden jedoch ein sehr schlechtes Flächenverhältnis und dadurch bedingt, eine schlechte Sammeleffizienz. Weiterhin ist die numerische Apertur, also der maximale, geführte Raumwinkel im Wellenleiter bei Single Mode Fasern kleiner (0,1 - 0,14) als bei Multimode Fasern (0,2 - 0,36), was mit einer weiteren Verschlechterung der Sammeleigenschaften einher geht. Insgesamt lässt sich über das Flächenverhältnis sowie das Verhältnis der numerischen Aperturen ein Faktor von 1850 : 1 abschätzen, d.h. man bräuchte 1850 Single Mode Fasern, um eine einzige Multi Mode Faser zu ersetzen, wie sich aus nachstehender Betrachtung anschaulich ergibt:
Die Fläche eines Singlemodekerns (SM) mit einem Durchmesser von 5 μιη entspricht: 19,6 μιη2
Die Fläche eines Multimodekerns (MM) mit einem Durchmesser von 100 μιη) entspricht: 7853 pm2. Daraus folgt ein Verhältnis von 400: 1 Der Raumwinkel eines SM-Kerns: NA = 0,11 => 6,3° (halber
Aperturwinkel) = 0,0095 sr
Der Raumwinkel eines MM-Kerns: NA = 0,23 => 13,3 ° (halber
Aperturwinkel) = 0,0422 sr
Woraus sich ein Verhältnis von 4,633 : 1 ergibt und somit vorstehend genannte Abschätzung 1850 : 1.
Weiterhin wäre bei diesem fiktiven Beispiel zu berücksichtigen, dass die Handhabbarkeitsgrenze für Fasern bei rund 30 - 40 μιη liegt. Bei einer solchen geringen Dicke (d.h. Außendurchmesser einer einzelnen Faser) sind die Fasern jedoch sehr brüchig. Insbesondere das
Einschreiben von Faser-Bragg-Gittern ist durch die starke thermische Belastung nicht mehr möglich, da die Faser dann zerspringt. Die
Verwendung von Singlemodefasern für den angestrebten
Verwendungszweck scheint sich somit von vornherein zu verbieten, legt man den bekannten Stand der Technik zugrunde.
Zur Herstellung eingangs erwähnter Sonden unter Einsatz von
Multi modefasern müssen sehr viele Arbeitsschritte ausgeführt werden. Zum einen müssen die Fasern gebündelt und stabilisiert werden.
Weiterhin müssen Filter auf den Faserkopf gesetzt und justiert werden. Um eine komplette Sonde herzustellen, werden mehrere Tage benötigt bei Vorrätigkeit aller Teile (Fasern, Filter, Stecker, Hülsen etc.), was einen enormen Zeit- und Kostenaufwand bedingt.
Vorliegender Erfindung liegen konkrete Vorgaben seitens der
Anwender, insbesondere Mediziner, für eine im menschlichen Körper einsetzbare Fasersonde zugrunde:
• Länge der eingeführte Sonde: 1 - 2 m
• Maximaler Außendurchmesser der Sonde: 1 mm (besser kleiner)
• Flexibilität der Sonde, um hohe Biegeradien zu ermöglichen Durch den vorgegebenen Durchmesser der Sonde selbst können keine oder nur sehr begrenzt Filter vor der Faser installiert werden, welche, aufgrund des langen Messweges, notwendig sind, um das in einer Quarzfaser generierte Raman-Signal zu unterdrücken. Weiterhin muss die Sonde um enge Biegeradien geführt werden, was den Einsatz von Hülsen, wie nach dem Stand der Technik zur Stabilisierung der Filter erforderlich, nicht mehr möglich macht.
Vorliegender Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die
geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu beheben und eine multivalent einsetzbare optische Faser zum gefilterten, effektiven Sammeln von Licht, insbesondere Raman-Streustrahlung, bei möglichst kleinem Außendurchmesser (< 1 mm) der Faser über
Weglängen > 1 m und möglichst kleinen Biegeradien unter 5 mm anzugeben. Diese sich eigentlich widersprechenden Teilaufgabenstellungen werden durch vorliegende Erfindung entsprechend der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils nachgeordneten Ansprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine optische Faser und ein Verfahren zu deren Herstellung mit einer Vielzahl von eng benachbarten Single- Mode-Kernen vorgeschlagen, die keine oder eine nur sehr kleine Kopplung des in den Kernen geführten Lichts zulassen soll und ausgezeichnete Sammeleigenschaften aufweist. Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, trotz des erzielten geringen
Außendurchmessers der geschaffenen optischen Faser, darin auch noch eine Anregungsfaser zu integrieren, womit erstmals ein
„Werkzeug" für den bevorzugt vorgesehenen Verwendungszweck zur Verfügung gestellt wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von speziellen
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 bekannte Ausführungen gemäß des bekannten
Standes der Technik;
Fig. 3a-e schematisch die ersten Stufen des Verfahrensablaufs zur Herstellung einer Faser, die eine Vielzahl von
Singlemodefaserkernen beinhaltet;
Fig. 4 ein erstes schematisches Schnittbild durch eine
Beispielfaserstruktur zur Erläuterung relevanter Größen; Fig. 5 zeigt eine beispielhaft berechnete Aufspaltung der Bragg-
Reflexionswellenlänge, aufgrund der Kernwechselwirkung für unterschiedliche Verhältnisse d/Λ;
Fig. 6 ein schematisches Schnittbild durch eine beispielhafte erfindungsgemäße Faseranordnung vor dem Verziehen; Fig. 7 ein REM-Bild (Raster Elektronen Mikroskop) der real nach
Fig. 6 ausgezogenen beispielhaften Faser;
Fig. 8 das gleiche Bild nach Fig. 7 im Weißlicht; Fig. 9 eine beispielhafte Abschätzung nach vorliegender
Erfindung vorsehbarer Faserkerne, bezogen auf einen vorgegebenen Querschnitt;
Fig. 10 eine fiktive nach dem bekannten Stand der Technik
denkbare Faser vergleichbaren Aufbaus;
Fig. 11 eine weitere fiktive nach dem bekannten Stand der
Technik denkbare Faser vergleichbaren Aufbaus;
Fig. 12 Brechzahlaufspaltungen für unterschiedliche
Kerndurchmesser bei 488 nm Arbeitswellenlänge;
Fig. 13 ein beispielhaftes Faser-Bragg-Gitter zur
Veranschaulichung einzuhaltender Größen;
Fig. 14 Brechzahlaufspaltungen für unterschiedliche
Kerndurchmesser bei 785 nm Arbeitswellenlänge und die
Relation zum einzuschreibenden Faser-Bragg-Gitter; Fig. 15 eine im Rahmen vorliegender Erfindung mögliche
Variante mit einer Anregungsfaser und mehreren
Multicore-Singlemode Fasern und
Fig. 16 eine beispielhafte einzelne Multicore-Singlemodefaser ohne Anregungskern.
Die Figuren 1 und 2 zeigen Ausführungen gemäß des bekannten Standes der Technik, zu denen oben einleitend bereits die damit verbundenen Nachteile ausführlich dargelegt wurden.
Bevor bevorzugte Ausführungsformen der nach vorliegender Erfindung geschaffenen optischen Faser näher erläutert werden, soll auf deren prinzipielle Herstellung näher eingegangen werden, wie in den Fig. 3a bis 3e schematisch dargestellt. Ausgangspunkt ist dabei ein Preform P (Fig. 3a) zur Herstellung einer Singlemodefaser. Im Rahmen
vorliegender Erfindung ist das spezielle Herstellungsverfahren dieser Preform völlig unerheblich. Alle bekannten Verfahren zur Schaffung von Preformen für Singlemodefasern können also dazu grundsätzlich Verwendung finden. Diese Preform P wird zu einem Halbzeug P1 mit einem handhabbaren und damit nicht fragilen Außendurchmesser in der Größenordnung von 1 mm, mit für die Faserherstellung bekannten und deshalb hier und im Folgenden nicht weiter zu erläuternden Verfahren, ausgezogen. Dieses Halbzeug P1 wird in vorgebbare Abschnitte P11... P1 n gleicher Länge vereinzelt. Die Abschnitte
P11...P1n werden nach wunschgemäßer Vorgabe, bevorzugt symmetrisch, in dichter Packung in ein Überfangrohr Ü bündig verbracht (Fig. 3c). Das somit gewonnene Gebilde, schematisch in Fig. 3d dargestellt, wird anschließend ausgezogen, wobei durch den
Faserziehprozess mehrere Kilometer einer solchen Faser problemlos hergestellt werden können. Durch das Verziehen wird durch die jeweiligen Mäntel der Halbzeuge ein homogenes Einbettungsmedium der Brechzahl n2 geschaffen (siehe z.B. Fig. 4). Beim Verziehen entsprechend vorliegender Erfindung sind weitere Maßgaben
einzuhalten, auf die im Nachstehenden näher eingegangen wird.
Dazu wird zur theoretischen Erläuterung zunächst auf Fig. 4
verwiesen, die schematisch eine beispielhafte Struktur, bestehend aus einem Array mit sieben Kernen mit der Brechzahl und mit
Durchmessern d darstellt, welche voneinander in einem Abstand Λ in einem Medium mit Brechzahl n2 eingebettet sind.
Um den Effekt des Koppeins des in den Kernen geführten Lichts und damit die Ausbildung von Supermoden, zu unterdrücken, müssen ganz bestimmte Maßgaben bei vorliegender Erfindung eingehalten werden. Im Folgenden soll beispielhaft das in Fig. 4 dargestellte Array aus sieben hexagonal angeordneten zylindrischen Wellenleitern (Kerne) mit einem Brechungsindex und einem Durchmesser d=2a betrachtet werden. Die Kerne sollen in ein Medium der Brechzahl n2 eingebettet sein und einen Kernmitte-Kernmitte Abstand (Pitch) Λ besitzen, der in der Größenordnung Λ = 2■ d festgelegt sein soll.
Die Anzahl, der in jedem Einzelwellenleiter geführten Moden lässt sich mit Hilfe des V-Parameters
Figure imgf000010_0001
bestimmen. Unterhalb des Wertes V=2.405 führt der Wellenleiter nur noch einen Modus (2 Polarisationen) und wird daher als„singlemodig" bezeichnet. Den hier beschriebenen Kernen soll genau diese Eigenschaft verliehen werden, d.h. der abschließende
Faserziehprozess hat so zu erfolgen, dass die gewünschten
Kerndurchmesser d erreicht werden.
Für Kernabstände Λ, die wesentlich größer als die Arbeitswellenlänge λ sind (Λ»λ), ergeben sich somit im Beispiel bei sieben umliegenden Kernen genau sieben (räumlich getrennte) Moden mit einem 7-fach entartetem Brechungsindex neff, die alle unabhängig voneinander propagieren können. Verringert man den Pitch Λ nun aber immer weiter, so fangen die Moden der Einzelkerne an, miteinander zu wechselwirken. Dieser Effekt kann mit Hilfe der Coupled-Mode-Theory analytisch recht gut beschreiben werden. Qualitativ zeigt sich für kleiner werdende Kernabstände eine immer größer werdende
Aufspaltung der effektiven Brechungsindizes neff der Moden. Zeitgleich bilden sich sogenannte Supermoden aus, welche aus
unterschiedlichen Phasenbeziehungen der Einzelwellenleiter resultieren. Dabei wird der Modus, in dem alle Wellenleiter in Phase sind, als Grundmodus bezeichnet.
Einfacher und genauer können die effektiven Brechungsindizes numerisch berechnet werden, zum Beispiel mittels einer Finite
Elemente Methode (FEM).
Figur 5 zeigt eine berechnete Aufspaltung der Bragg- Reflexionswellenlänge, aufgrund der Kernwechselwirkung für unterschiedliche Verhältnisse d/Λ. Grau markiert ist der nach vorliegender Erfindung einzuhaltende Arbeitsbereich einer solchen Faser. Hier ist beispielhaft die Aufspaltung der effektiven
Brechungsindizes, aufgrund der Wechselwirkung der Kernmoden, repräsentiert durch die berechnete Verschiebung der Bragg- Wellenlänge, in jedem Einzellichtwellenleiter dargestellt. Man kann sehen, dass für eine maximale Aufspaltung von 0,2 nm das Verhältnis d/Λ kleiner als 0,8 bleiben muss. In diesem Bereich kann die optische Faser betrieben werden. Vorteilhaft wird jedoch in einem Bereich gearbeitet, bei dem die Brechzahlaufspaltung unterhalb der spektralen Gitterbreite des weiterhin im Rahmen der Erfindung noch
einzuschreibenden Faser-Bragg-Gitters von ca. 0,3 bis 0,5 nm liegt. Worauf weiter nachstehend noch eingegangen werden wird. Bevor dies geschieht, soll nur noch auf weitere Ausführungsformen
eingegangen werden.
Dazu zeigt Figur 6 ein beispielhaftes Schnittbild, entsprechend der Verfahrensstufe nach Fig. 3d. Die Preform P (Fig. 3a) wurde zu einem Halbzeug P1 (Fig. 3b) von 1 mm Durchmesser ausgezogen und in die erforderliche Segmentzahl geteilt. Diese Segmente (vgl. Fig. 3c) werden im gezeigten Beispiel zu einer 2-ringigen Hexagonalanordnung zusammengefügt (vgl. Fig. 6: weiße Kreise mit schwarz dargestelltem Kern). Diese Packung wird im Beispiel mit zwei Reihen undotierter Quarzglasstäbe gleichen Durchmessers, welche ebenfalls hexagonal gepackt sind, umgeben (vgl. Fig. 6: weiße, ungefüllte Kreise). Zum Erzielen einer besseren Zirkularität der Packung werden im Beispiel am äußeren Ring symmetrisch zwölf Matrixelemente (graue Kreise) aus undotiertem Quarzglas hinzugefügt. Diese gesamte Packung wird außen von einem nicht näher bezeichneten Quarzglas-Mantelrohr (im Beispiel Außendurchmesser 1 1 ,6 mm, Innendurchmesser: 9,2 mm) überfangen und anschließend in diesem Beispiel zu einer finalen optischen Faser mit einem Durchmesser von 125 ± 0,4 μπι verzogen, um einen direkten Vergleich zu Fasern nach dem bekannten Stand der Technik zu ermöglichen, nicht jedoch um die Erfindung auf solche kleinen Durchmesser zu beschränken. Durch Anlegen eines
atmosphärischen Unterdrucks von 1200 Pa beim Verziehen wird sichergestellt, dass alle gasförmigen Zwischenräume der Preform beim Faserziehen eliminiert werden und die Faser kompakt wird. Dieses Verfahrensergebnis wird anhand von Figur 7 veranschaulicht, die ein reales REM-Bild der neunzehn Kernfasern mit Bemaßungen für dieses Beispiel wiedergibt. Ergänzend dazu zeigt Figur 8 das gleiche
Schnittbild im Weißlicht. Aus den in diesem speziellen Beispiel angegebenen Dimensionen ist ersichtlich, dass bei einem
vorgegebenen maximalen Außendurchmesser der fertig ausgezogenen optischen Faser, bspw. in der Größenordnung von 1 mm
Außendurchmesser, sich erheblich mehr Einzelfaserkerne unterbringen lassen, selbst wenn mittig noch vorteilhaft eine Anregungsfaser vorgesehen ist. Dazu soll nachstehend anhand von Figur 9, wobei die Vielzahl der hier vorsehbaren Kerne im Bild nur angedeutet ist, eine beispielhafte Abschätzung vorgenommen werden.
Die maximale Anzahl von Sammelkernen ergibt sich, wie gesagt, aus dem vorgegebenen maximalen äußeren Durchmesser der Zielfaser. Für diese Abschätzung soll angenommen werden, dass:
o Der maximale Sondendurchmesser 0,5 mm betragen soll
o Ein zentraler Anregungskern mit einem Durchmesser von 20 μηι soll im Beispiel vorgesehen sein
o der Abstand der Sammelfasern vom Anregungskern soll in diesem Beispiel 30 m betragen, woraus folgt, dass
-> der Start des ersten Sammeikernrings bei 50 μηι beginnt
o Zum maximalen Ausnutzen des 0,5 mm
Sondenquerschnitts würden sich damit, bei einem Abstand Kern - Kern (Pitch Λ) von 10 μηι, 45 weitere Ringe ergeben
o und aus den im vorgegebenen Sondendurchmesser somit anordenbaren Ringen, ergeben sich dann 7614 mögliche Einzelkerne.
Um diesen Vorteil der Erfindung noch deutlicher zu erkennen, soll an dieser Stelle ein Vergleich zu einer nach dem Stand der Technik bekannte Lösung angestellt werden. Die in US 5,862,273,A erwähnte Anordnung von Single Mode Fasern um einen zentralen
Anregungskern hat den Nachteil, dass nur sehr wenige Sammelfasern auf einer begrenzten Fläche verwendet werden können. Wenn man einen maximalen Sondendurchmesser von 0,5 mm vorgibt, erhält man mit Standardfasern (125 μηι Außendurchmesser) eine Anordnung bei der maximal 18 Sammelfasern eingesetzt werden können, wobei hier schon, der Einfachheit halber, ein größerer Außendurchmesser der Sonde von 0,625 mm angenommen wird. Diese Verhältnisse sind in Figur 10 veranschaulicht. Eine solche Faser käme, bzgl. der beim vorgesehenen Anwendungsfall dann zu erreichenden geringen
Sammeleffektivität, allerdings nicht in Betracht. Über diesen bekannten Stand der Technik hinaus, könnte man auf die Idee kommen, die verwendeten einzelnen Fasern im
Außendurchmesser zu reduzieren. Wie eingangs erwähnt, liegt die labortechnische Handhabbarkeitsgrenze solcher Fasern bei einem Durchmesser von 30 [im. Damit ergäbe sich ein in Figur 1 1
dargestelltes, fiktives schematisches Schnittbild, aus dem ersichtlich ist, dass selbst in dieser Konfiguration jedoch auch nur 132 Faserkerne zum Sammeln eingebettet werden könnten, die geforderte
Sammeleffizienz mit einer solchen Lösung somit also auch nicht erreichbar ist. Abgesehen davon würde die Fertigung einer solchen Sonde extreme Zeitanforderungen sowie monetäre Anforderungen stellen, so dass sich eine solche Sonde nicht zu einem annehmbaren Preis und mit vertretbaren Ausschussraten fertigen ließe. Beide vorstehend dargestellten Sondentypen hätten weiterhin den Nachteil, dass die einzelnen Fasern gebündelt werden und durch eine
Stabilisierungshülse zusammen gehalten werden müssten. Weiterhin müsste in jede einzelne Faser separat nacheinander und vor
Einbringung in das sie umfassende äußere Rohr ein Faser-Bragg- Gitter, mit den Eingangs genannten Nachteilen, eingeschrieben werden.
Im Rahmen vorliegender Erfindung soll im Zentralkern der optischen Faser besonders vorteilhaft zugleich eine Anregungsfaser integriert sein. Im Hinblick auf das in einem letzten Verfahrensabschnitt in die jeweiligen umgebenden Sammelfasern einzuschreibende Faser-Bragg- Gitter, wohingegen der Anregungsfaser hier kein Bragg-Gitter gegeben werden soll, sind somit bereits bei der Herstellung der Preform P (vgl. Fig. 3a) bestimmte Maßgaben zu berücksichtigen. Für die Realisierung eines solchen Aufbaus kann der Zentralkern aus photo-insensitivem Material (z.B. AI Dotierung) bestehen, der in viele Kerne aus photosensitiven Material (z.B. Ge-Dotierung) eingebettet wird, so dass während des Einschreibvorganges der FBGs nur die Sammelfasern beeinflusst werden. Optional könnte hier der Anregungskern auch als Multimodekern dimensioniert sein, wodurch auch bei einem hier eingeschriebenen FBG die Filterwirkung auf ein Minimum reduziert wird. Dadurch kann man auf Filter vor der Faser vollständig verzichten, was einen wesentlich kleineren und flexibleren Aufbau ermöglicht als bisher bekannte Fasersonden.
Je nach gewünschter Wellenlänge, bei der die zum Einsatz gelangenden Singlemodefasern eine Single-Modigkeit aufweisen sollen, sind diese in vorgebbarer Weise speziell zu fertigen, wobei die jeweils einzuhaltenden Parameter erfindungsgemäß grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip zu wählen sind. Um die Erfindung in diesem Punkt näher zu verdeutlichen, sind im Nachfolgenden zwei spezielle Beispiele für unterschiedliche Wellenlängen angegeben, nämlich:
Faser für eine Anregungswellenlänge von 785 nm:
Die Preform wird vorzugsweise durch kombiniertes Preformziehen in einer„stack-and-draw" Technik hergestellt. Die„Cut-off" Wellenlänge (Wellenlänge bei der ein Kern multimodig wird) der entstehenden Kerne kann durch den V-Parameter abgeschätzt werden welcher mit:
Figure imgf000015_0001
bei V<2,405 singlemodig ist. Wichtig ist, dass alle Kerne für den
Bereich, für den sie in einem späteren Verfahrensschritt mit einem wellenlängenselektiven Faser-Bragg-Gitter (FBG) versehen werden sollen, singlemodig sind. Eine Beispielfaser für eine Singlemodigkeit bei 785 nm und einem Kerndurchmesser von 5 μηι ergibt eine numerische Apertur von NA=0,1 1 .
Eine große Photosensitivität des lichtführenden Kerns wird durch eine möglichst hohe Germaniumdotierung erreicht. Damit verbunden ist ein starker Anstieg der Brechzahl von:
+1 ,4■ 10"3 pro mol% Ge02 Dotierung. Um eine hohe Ge-Dotierung bei gewünschter moderat definierter Kernbrechzahlerhöhung zu erzielen, ist eine Dotierung mit einer brechzahlabsenkenden Dotierung
notwendig. In Frage kommen Bor (als B203) und/oder Fluor (als SiF4). Da die Fluor-Kodotierung zu Ge02 zur Bildung von gasförmigen GeF4 tendiert, werden beide Dotierungskomponenten in diesem Fall nicht kooperativ in das Glas eingebaut, sondern gasförmig ausgetragen. Bor hingegen kann problemlos kodotiert werden. Die Brechzahlabsenkung beträgt: -0,5■ 10"3 pro mol% B203 Dotierung. Zu beachten ist die Zunahme der thermischen Ausdehnung des Kerns durch die Dotierungen. Dies kann bei den sich anschließenden thermischen Verarbeitungsschritten (Abscheidung der Kernschichten, Kollabieren des beschichteten Rohrs zur Preform P, Elongieren der Preform zu den Packungskernelementen P11...P1 n, Herstellen
(Kollabieren) der finalen Sekundär-Preform (vgl. Fig. 3d) zu internen Spannungen führen, die zum Bruch der Preform führen könnten. Der Zuwachs des thermischen Ausdehnungskoeffizienten beträgt:
+0,11 ■ 10"6 K"1 pro mol% Ge02 Dotierung
+0,10 · 10"6 K"1 pro mol% B203 Dotierung,
wohingegen undotiertes Quarzglas nur einen
Ausdehnungskoeffizienten von nur ca. 0,5 · 10"6 K"1 aufweist. Diese Effekte limitieren sowohl die maximale Dotierungshöhe, wie auch den technologisch sicher verarbeitbaren Preformquerschnitt im Sinne vorliegender Erfindung, beschränken deren Realisierbarkeit aber nicht.
Die beispielhaft realisierte Preform hat eine Kerndotierung von ca. 6 mol% Ge02 und 7 mol% B203. Die resultierende Brechzahlerhöhung des Kerns beträgt ca. 4 · 10"3, entsprechend einer Numerischen
Apertur von 0,11. Das Kern-Mantel-Verhältnis der Primärpreform beträgt 0,5. Dies wird im Beispiel erzielt durch die Abscheidung von 27 Ge-B-dotierten Schichten. Die Preform P hat einen maximalen
Außendurchmesser von 10 mm, um die thermischen Verspannungen unterhalb der Bruchspannung zu halten.
Diese Preform P wird anschließend zu Stäben mit 1 mm
Außendurchmesser (Kerndurchmesser: 0,5 mm) elongiert.
Anschließend in gleich lange Stücke geteilt und zu einer
Mehrelemente-Hexagonalpackung zusammengefügt und mit einem Überfangrohr Ü versehen. Nach dem Kollabieren dieser
Sekundärpreform (Eliminieren der Gaszwischenräume in der
Preformpackung) wird die finale Faser gezogen. Die Ziehtemperatur wird dabei der Dotierungshöhe und dem effektiven
Dotierungsquerschnitt in an sich fachgemäßer Weise angepasst. Die Einstellung der Cut-off-Wellenlänge der Fundamentalmode erfolgt über die Anpassung des Kerndurchmessers der dotierten Bereiche durch
Verziehen auf den adäquaten Ziel-Faserdurchmesser.
Diese Beispielfaser für 785 nm weist folgende Parameter auf:
Kerndurchmesser ca. 5,4 μηι
Pitch 10,0 pm
Faserdurchmesser 125,2 m
Kernbrechzahldifferenz 4■ 10"3
Gleiche Abschätzungen, wie vorstehend, sollen für ein weiteres spezielles Beispiel einer Faser für eine Anregungswellenlänge 488 nm angegeben werden, um die Multivalenz der erfindungsgemäßen Lösung zu veranschaulichen:
Die Herstellung der in diesem Beispiel aus Übersichtsgründen aufgeführten 19 Strukturelemente erfolgt mittels eines MCVD- Verfahrens. Das Brechzahlprofil wird auch hier durch Germaniumoxid- Boroxid-Kodotierung eingestellt. Dabei wird zur Erzielung einer hohen Photosensitivität beim späteren Bragg-Gittereinschreiben eine möglichst hohe Germaniumkonzentration angestrebt.
Dazu werden 28 Schichten mit einer Konzentration von 6 mol% Ge02 , 9,7 mol% B203 und 87 mol% Si02 in einem Quarzglas-Substratrohr mittels MCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapor Deposition) abgeschieden. Die Schichtstärke der Einzelschicht beträgt 20 μηι. Nach Beenden der Abscheidung wird das beschichtete Rohr zur verziehfähigen Preform mit einem Durchmesser von 9,8mm kollabiert. Alles Weitere erfolgt gemäß vorherigen Angaben.
Vorstehende Maßgaben sind nur erforderlich, wenn das noch
einzuschreibende Faser-Bragg-Gitter selektiv derart erfolgen muss, dass ein vorgesehener Anregungskern davon nicht betroffen wird. Will man eine optische Faser nach vorliegender Erfindung herstellen, die ausschließlich Sammelkerne (also keine Anregungsfaser) enthalten soll, können andere Verfahren, bspw. ein FBG-Einschreiben mit Hilfe von Femtosekundenlasern eingesetzt werden, die keine
photosenistiven Kerne in den Sammelfasern erfordern, womit auch eine größere chemische Wahlfreiheit für die Kernmaterialien gegeben ist. Unabhängig vom speziellen Einschreibverfahren für die Faser-Bragg- Gitter sind noch nachstehende Überlegungen im Rahmen der
Erfindung zu berücksichtigen, beispielhaft wieder getrennt nach vorstehenden beiden Beispielen für unterschiedliche
Anregungswellenlängen:
Bezüglich der Anregungswellenlänge von 785 nm wird auf Fig. 5 und die oben erfolgte zugehörige Beschreibung verwiesen, die die
Aufspaltung der Bragg-Reflexionswellenlänge, aufgrund von
Kernwechselwirkungen für unterschiedliche Verhältnisse d/Λ, zeigt. Wie man leicht sieht, kann in einem Bereich, bei der die
Brechzahlaufspaltung unterhalb der spektralen Gitterbreite des einzuschreibenden Gitters von ca. 0,3 bis 0,5 nm liegt, gearbeitet werden. Damit ergeben sich folgende beispielhafte Parameter für 785 nm, wenn die Sammelfaserkerne photosensitiv ausgebildet sein sollen:
Figure imgf000018_0001
Für eine Anregungswellenlänge von 488 nm ergeben sich nach gleichen Betrachtungen:
Einzelkerndurchmesser: 4μΐ"η/6μιτι/8μι-η
Mantelbrechzahl: nSi02 bei 488nm = 1.463015
dn Kern/Mantel: 29.78■ 10 13.24 · 1(T*/7.45■ 10"4 und ein
Arbeitsbereich d/Λ von 0,2...0,8.
Damit ergeben sich für die in Fig. 12 dargestellten Verhältnisse, folgende Brechzahlaufspaltungen.
Für 488 nm ergeben sich andere Brechzahlhübe, um die Single- Modigkeit der Sammelfasern zu gewährleisten. Diese ergeben sich, wie oben, aus der Formel des V-Parameters für die verschiedenen Durchmesser der Kerne. Hier 4, 6 und 8 μηι Kerndurchmesser zu:
Figure imgf000019_0001
Eine vorgebbar nach vorstehenden Maßgaben hergestellte und ausgezogene Faser (nach Fig. 3e) wird in die gewünschten Längen (bspw. 1-2 m) geteilt und mit einem UV-aushärtendem
Einschichtacrylat beschichtet. Der Erfindung liegt im Weiteren die Entdeckung zugrunde, dass ein gleichzeitiges Einschreiben von Faser- Bragg-Gittern in die vorgeschlagene Multikernfaser technisch, wider Erwarten, tatsächlich möglich ist. Dabei konnten zugleich Gitter mit einem Abschwächungsfaktor größer 99% durch gleichzeitiges
Einschreiben in mehrere Kerne realisiert werden.
Die Herstellung der Faser-Bragg-Gitter in allen singelmodigen
Faserkernen kann entsprechend der für einzelne Fasern grundsätzlich bekannten Weise erfolgen, hier jedoch mit dem verfahrensmäßig wesentlichen Unterschied, dass alle Bragg-Gitter, im Unterschied zu vergleichbaren Gittern nach dem Stand der Technik, gleichzeitig einschreibbar sind, da sie durch ihre homogene Einbettung in das sie umgebende Material der Brechzahl n2, das keine abbildende Wirkung aufweist, alle von einer entsprechenden ausgeführten Einschreibquelle erfassbar sind, ohne dass, wie gefunden wurde, Abschatteffekte eine spürbare Rolle spielen.
Zur näheren Erläuterung des im letzten Verfahrensschritt
einzuschreibenden Faser-Bragg-Gitters sollen folgende Betrachtungen dienen:
Die Reflektionswellenlänge eines Bragg Gitters ist bekanntermaßen gegeben durch
λΒ = 2■ n1 ■ G, wobei die λΒ Reflexionswellenlänge und G der Abstand der Gitterlinien des Gitters ist und n1 die Brechzahl der Faserkerne repräsentiert. Über vorstehende Beziehung kann die Reflektionswellenlänge λΒ durch den Abstand der Gitterlinien in der Faser berechnet werden. Es ist zu erkennen, dass die Reflektionswellenlänge von der jeweils gewählten Kernbrechzahl abhängt.
Diese Reflektionswellenlänge ist nicht strikt, sondern hat eine gewisse Breite (spektrale Breite eines Bragg-Gitters), welche typischer Weise zwischen 0,1 und 0,6 nm liegt (vgl. Fig. 13 unten, Bild in der Mitte).
Faser-Bragg-Gitter basieren auf der gezielten Modulation der
Brechzahl im lichtführenden Kern, so dass die Bragg-Bedingung erfüllt ist. Daher ergeben sich ganz bestimmte Abstände der modulierten Bereiche, welche im Abstand der halben Wellenlänge (G)
eingeschrieben werden müssen.
Dadurch, dass das Glas des Kerns eine Brechzahl besitzt, welche sich von 1 unterscheidet (d.h. der optische Weg des Lichts um den Faktor der Brechzahl kleiner ist), müssen die Gitterabstände so angepasst werden, dass der optische Weg (die halbe Wellenlänge · Brechzahl) gleich G ist.
Besitzt der Kern eine andere Brechzahl, muss G wieder angepasst werden, damit das Gitter effektiv reflektieren kann. Zur Erläuterung des Vorstehenden sei auf Figur 13 verwiesen.
Zur weiteren Bedingung, der das einzuschreibende Faser-Bragg-Gitter folgen muss, wird nochmals beispielhaft auf Fig. 5 zurückgegriffen und diese in Figur 14 für das Beispiel der Anregungswellenlänge von 785 nm nochmals modifiziert dargestellt, wobei links die Brechzahl und rechts die daraus berechenbare Reflexionswellenlänge der Bragg- Gitter aufgetragen sind. Aus Fig. 14 ist ersichtlich, dass bei zu dichtem Abstand (d/Λ) die Brechzahlaufspaltung breiter ist, als die spektrale Reflektion eines Bragg Gitters (siehe oval umrandetes Gebiet). Dies hätte zur Folge, dass die Zielwellenlänge (785 nm in diesem Beispiel, gestrichelte Mittenlinie in Fig. 14) nicht mehr reflektiert werden würde.
Daher ist die maximal zugelassene Aufspaltung so zu wählen, dass die spektrale Breite eines FBG alle möglichen Brechzahlaufspaltungen abdeckt. In diesem Beispiel beträgt d/Λ = 0,545, womit ein Δλ von 784,9 bis 785,1 nm abgedeckt ist.
Nach allen vorstehenden Betrachtungen ergeben sich somit für das einzuschreibende Faser-Bragg-Gitter bei nachstehenden
Voraussetzungen für das Beispiel für einer Anregungswellenlänge von λ=785 nm folgendes:
λ/2= 392,5 nm
Brechzahl Kern n^ 1 ,477
Gitterabstand des FBG: G = λ/η-, = 265,7 nm
Für eine andere Kernbrechzahl von bspw. ni = 1 ,49 folgt G = 263,4 nm.
Für eine Anregungswellenlänge λ= 488 nm folgendes:
λ/2= 244 nm
Brechzahl Kern ηγ 1 ,466
Gitterabstand des FBG: G = λ/η-, = 166,4 nm
Für eine andere Kernbrechzahl von bspw. n-, = 1 ,49 folgt G = 163,7 nm.
Der relativ kleine Bereich (ca. 0,3 nm), in dem Faser-Bragg-Gitter effektiv reflektieren können, ist somit an die konkreten Vorgaben der übrigen Parameter, insbesondere des Verhältnisses d/Λ, anzupassen.
Wenn also die Brechzahlaufspaltung die Reflexionswellenlänge nur um 0,3 nm verschiebt, können auch die umliegenden Kerne bei einer festen Geometrie (also gleichen Gitterabständen) die Zielwellenlänge reflektieren (vgl. die dicken waagerechten Linien in den Figuren 5 und 12). Damit ergeben sich die jeweils in grau dargestellten
Arbeitsbereiche der Fasern, in dem die Brechzahlaufspaltung die Reflexionswellenlänge des Gitters nur soweit verschiebt, dass das Gitter immer noch reflektierend im Nachbarkern wirkt.
Mit vorliegender Erfindung ist erstmals eine Lösung vorgeschlagen worden, die flexible Ramansonden mit dünnem Außendurchmesser angibt. Jedoch ist der neu geschaffene Fasertyp einer Multicore- Singlemodefaser nicht auf den speziellen Anwendungsfall beschränkt. So können mit gleicher Vorgehensweise und dem gleichzeitigen
Einschreiben anderer Faser-Bragg-Gitter auch wellenlängenselektive Transmissionsfilter für andere Wellenlängen geschaffen werden.
Die vorteilhafte Integrationsmöglichkeit einer Anregungsfaser in der Fasermitte ist auch nur dem speziellen Anwendungsfall (Raman- Sonde) geschuldet. Für die Inbetriebnahme einer solchen
Ramansonde mit erfindungsgemäßer Faser kann auf ein
Standardspektrometer mit einem Single Mode Laser sowie bspw.
einem 10x Objektiv zurückgegriffen werden, wobei das Objektiv gleichzeitig die Anregungsstrahlung in den Mittenkern fokussiert, als auch das rückgeführte Licht der Sammelfasern in das Spektrometer koppelt. Möglich ist auch der Einsatz von dichroitischen Spiegeln, um das Anregungslicht von dem Signal zu trennen, welche sich in einer vor das Spektrometer geschalteten Box befinden. Die Sonde kann so mehrere Meter lang ausgeführt werden und ermöglicht einen Einsatz im Patienten oder an weit entfernten Orten. Auf weitere Details dazu kann hier verzichtet werden, da diese Maßnahmen zum Stand der Technik gehören und außerhalb vorliegender Erfindung liegen.
Ist die Limitierung des Sondenaußendurchmessers nicht mehr gegeben, liegen auch andere Konfigurationen im Rahmen vorliegender der Erfindung. So könnte eine Anregungsfaser vollständig separat gefertigt sein, welche von mehreren nach vorliegender Erfindung geschaffenen Multicore-Singlemodefaser umgeben wird. Eine solche prinzipielle Möglichkeit ist in Figur 15 schematisch angedeutet, die eine Variante mit mehreren Multicore-Singlemode Fasern zeigt, welche mit jeweils einem FBG versehen wurden und eine mittige Anregungsfaser umgeben.
Schließlich zeigt Figur 16 eine einzelne Multicore-Singlemodefaser ohne Anregungskern. Wenn dieser Fasertypus verwendet wird, kann im Bereich der Singlemodigkeit der Faser für jede beliebige
Wellenlänge verspiegelt (d.h. ein Bragg-Gitter eingeschrieben) werden, was diese Faser auch für andere Anwendungen, wie
Fluoreszenzdetektion, CARS und andere Prozesse bei denen Streulicht von Anregungslicht getrennt werden muss, interessant macht.
Für alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen soll gelten, dass der Ort, an dem die Faser-Bragg-Gitter in die ausgezogene Faser eingeschrieben werden, in der Nähe des distalen Lichteintrittsendes Ld (d.h. der Messstelle zugewandten Faserendfläche) eingeschrieben werden und bevorzugt in der Größenordnung von 0,5-1 cm Abstand zur Eintrittsfläche entfernt angeordnet sind. Damit ergibt sich
gegenüber dem bekannten Stand der Technik, bei dem die Filter auf die Endfläche aufgesetzt sind, der zusätzliche Vorteil, dass bei
Verunreinigung oder Beschädigung der Frontfläche diese leicht gereinigt oder abgeschliffen werden kann, ohne dass die optische Faser deshalb an sich verworfen werden muss.
Die erfindungsgemäß geschaffene Sammellichtleitfaser, insbesondere für Raman-Streustrahlung, weist sehr gute Sammeleigenschaften auf, zumal auf kleinsten Querschnitten eine Vielzahl von Singlemodefasern mit identischen Faser-Bragg-Gittern mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens angeordnet werden können. Verglichen mit einem oben skizzierten fiktiven Stand der Technik, wenn man die bis dahin bekannten Maßnahmen konsequent fortführen würde, ergibt sich bei vorliegender Erfindung eine um knapp das 500-fache erhöhte
Sammelleistung bei gleichen Querschnitt (verglichen zu Fig. 10). Bei ihrem praktischen Messeinsatz würde sich damit die Messzeit um den Faktor 423 (im Vergleich zu Fig. 10) bzw. 57,6 (im Vergleich zu Fig.11 ) verringern.
Zusätzlich können durch die vorgeschlagene Herstellungsweise in alle Kerne gleichzeitig Gitter eingeschrieben werden, was die
Fertigungszeit dramatisch senkt, weil dies innerhalb von 15 min realisiert werden kann.
Bei Vorsehen einer Anregungslichtleitfaser im Faserkern wird bei dieser bereits im Halbzeug vorteilhaft ein solch dicker Mantel gegeben, dass dieser in der fertig ausgezogenen optischen Faser einen
größeren Abstand zu den ihn umgebenden singlemodigen Sammelkernfasern gewährleistet, als der Pitch Λ mit dem diese untereinander jeweils zum benachbarten Sammelfaserkern
beabstandet sind, damit keine Anregungsstrahlung in die
Sammelkerne einkoppeln kann.
Die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit einer handhabbaren Herstellung geeigneter Halbzeuge, deren Verzug zu einer, eine gegenüber dem Stand der Technik erheblich gesteigerten Anzahl von singlemodigen Sammelkernen beinhaltenden Faser und danach erfolgter einmaliger und gleichzeitiger Einschreibung gewünschter Faser-Bragg-Gitter, verringert sich der Fertigungsaufwand zur Erzielung der optischen Faser gewünschter Eigenschaften und damit der dazu erforderlichen Kosten dramatisch. Außerdem wird dadurch erstmals eine optische Faser für den bevorzugt vorgesehenen Verwendungszweck geschaffen, die mit Außendurchmessern unter 1 mm und damit hinreichend flexibel zur Gewährleistung von
Krümmungsradien unter 5 mm gefertigt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1 . Optische Faser zum gefilterten Sammeln und Führen von Licht über Weg längen >1 m, insbesondere von Raman-Streustrahlung, die einen so kleinen Querschnitt aufweist, dass er Biegeradien der Faser in der Größenordnung von mindestens 5 mm zulässt, dadurch gekennzeichnet, dass pro einer Querschnittsfläche von 7853 μιτι2 mindestens 19 einzelne Singlemodefaserkerne mit einer Brechzahl (n†) und mit einem Kerndurchmesser d, welche in einem homogenen Medium gleicher Brechzahl (n2) eingebettet sind, vorgesehen sind, deren gegenseitiger Kernabstand (Pitch Λ) zueinander in der Größenordnung Λ = 2■ d beträgt und gemäß der Beziehung
Figure imgf000025_0001
entsprechend der vorgesehenen Anregungswellenlänge (λ) vorgebbar festgelegt ist und in alle Singlemodefasern
gemeinsam und lateral in identischer Lage in jeden
Singlemodefaserkern ein Faser Bragg-Gitter (FBG)
eingeschrieben ist.
2. Optische Faser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der fertig verzogenen Faser ein Verhältnis d/Λ kleiner als 0.8 eingehalten und die Brechzahlaufspaltung unterhalb der spektralen Gitterbreite (λΒ) des eingeschriebenen Faser-Bragg- Gitters ist.
3. Optische Faser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Bragg-Gitter (FBG) in der Nähe des distalen
Lichteintrittsendes (Ld) in die optische Faser, in der
Größenordnung von 0,5-1 cm Abstand zur Eintrittsflache entfernt, angeordnet sind.
4. Optische Faser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich in der optischen Faser mittig und zentralsymmetrisch ein Faserkern mit von und n2 abweichender Brechzahl vorgesehen ist, in den eine
Anregungslichtwelle einkoppelbar ist.
5. Optische Faser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anregungswellenlänge von 785 nm für die
Singlemodefasern ein möglichst kleiner Zielkerndurchmesser d in der Größenordnung von 2 pm eingestellt ist, ein Verhältnis d/Λ in der Größenordnung von 0,5 und ein Abstand G der Faser- Bragg-Gitter in der Größenordnung von 265,7 nm gewählt ist.
6. Optische Faser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anregungswellenlänge von 488 nm für die
Singlemodefasern ein möglichst kleiner Zielkerndurchmesser d in der Größenordnung von 2 pm eingestellt ist, ein Verhältnis d/Λ in der Größenordnung von 0,8 und ein Abstand G der Faser- Bragg-Gitter in der Größenordnung von 166,4 nm gewählt ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser zum gefilterten Sammeln und Führen von Licht über Weglängen >1m, dadurch gekennzeichnet, dass mit an sich bekannten und beliebigen Verfahren zunächst eine Preform (P) für Singlemodefasern hergestellt wird, diese zu Halbzeugen (P1 ) mit einem
handhabbaren Außendurchmesser in der Größenordnung von
1 mm ausgezogen werden, wobei der Außendurchmesser im Wesentlichen dem doppelten Kerndurchmesser entspricht, welche danach in vorgebbare Abschnitte (P11... P1n) gleicher Länge vereinzelt und in ein Überfangrohr (Ü) in wunschgemäß vorgebbarer Anordnung verbracht werden und dieses Gebilde anschließend gemeinsam zu einer Faser derart so lange ausgezogen werden, dass um einen Abstand Λ voneinander jeweils beabstandete Singlemodefaserkerne mit der Brechzahl ni und einem Zieldurchmesser d, eingebettet in ein homogenes Medium der Brechzahl n2,verbleiben, wobei ein Verhältnis d/Λ zwischen 0,2 bis 0,8 eingehalten wird, und solange ausgezogen wird, bis die Einzelkerne Singlemodigkeit zeigen und
anschließend in alle Faserkerne, mit nur einem für Einzelfasern an sich bekannten Einschreibprozess, gleichzeitig ein
identisches Faser-Bragg-Gitter eingeschrieben wird, wobei die maximale Brechzahlaufspaltung und die daraus resultierende Verschiebung von λΒ (Braggwellenlänge des Bragg-Gitters) kleiner ist als die spektrale Breite FBG des Bragg-Gitters.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
zunächst Preformen für Singlemodefasern hergestellt werden, deren lichtleitender Zielkerndurchmesser d, dessen Brechzahl entsprechend der vorgesehenen Arbeitswellenlänge λ gemäß der Beziehung
gewählt wird, wobei sich daraus der einzuhaltende
Brechungsindex n2 für den Mantel der Singlemodefaser ergibt, die anschließend auf Halbzeuge (P1 ) mit einem handhabbaren Durchmesser in der Größenordnung von 1 mm ausgezogen werden, diese Halbzeuge auf vorgebbare Längen getrennt und in äußeres Überfangrohr vorgebbar, bevorzugt symmetrisch, verbracht und von diesem arretierend umfangen werden, dieser Verbund danach gemeinsam mit dem Überfangrohr zur gewünschten optischen Faser mit einem Außendurchmesser <1 mm solange ausgezogen wird, dass der Abstand der
Faserkernmitten zueinander (Pitch Λ) mit einem Verhältnis d/A<0,8 erreicht ist und anschließend ein Faser-Bragg-Gitter vorgebbarer spektraler Gitterbreite (λΒ) in der Nähe des distalen Lichteintrittsendes (Ld) in alle Singlemodefaserkerne gleichzeitig eingeschrieben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei integriertem Vorsehen einer Anregungslichtleitfaser diese mittig im genannten Überfangrohr angeordnet wird und aus einem photo-insensitivem Kernmaterial gefertigt ist, wohingegen die sie umgebenden singlemodigen Sammeikernfasern aus einem photo-sensitivem Material gefertigt sind.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei integriertem Vorsehen einer Anregungslichtleitfaser diese mittig im genannten Überfangrohr angeordnet wird und für diese Anregungsfaser eine Multimodefaser ausgewählt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Halbzeug für die Anregungslichtleitfaser eine solch dicker Mantel gegeben wird, dass dieser in der fertig
ausgezogenen optischen Faser einen größeren Abstand zu den ihn umgebenden singlemodigen Sammeikernfasern
gewährleistet, als der Pitch Λ, mit dem diese untereinander jeweils zum benachbarten Sammelfaserkern beabstandet sind.
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