Labor Mikroptik Versuch 4: Spektrale Dämpfung

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1 Labor Mikroptik 1 Zur Vorbereitung Die folgenden Begriffe sollten Sie kennen und erklären können: Beugung, Beugungsordnung, optisches Gitter, spektrale Faserdämpfung, Rayleigh-Streuung, Monochromator, Radiometer, Cut-Back-Verfahren 2 Grundlagen 2.1 Einführung: An diesem Meßplatz werden spektrale Untersuchungen von Lichtquellen verschiedenster Art z.b. LED s, Halogenlampen, Laser, Laserdioden etc., durchgeführt. Außerdem ist es möglich durch spezielle Abbildungsoptiken Dämpfungsmessungen auch an solchen Lichtwellenleitern vorzunehmen, die einen Kerndurchmesser von nur wenigen SpektraleDaempfung.doc Seite 1 von 10 Stand:

2 Mikrometern besitzen Beugung am Gitter Optische Gitter sind räumlich periodische Strukturen bzw. parallele Linien, die das auftreffende Licht durch Beugung in seine Spektralfarben zerlegt. Man unterscheidet zwischen lichtdurchlässigen bzw. Transmissions-Gittern und reflektierenden bzw. Reflexions-Gittern. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Linien bezeichnet man als Gitterkonstante g. Beugungsmaxima entstehen in den Richtungen, für die der Wegunterschied zwischen den von zwei benachbarten Gitterspalten ausgehenden Wellen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt. Für den Beugungswinkel gilt die Gittergleichung für senkrechten Einfall: (Gl.1): sin m g Aus Gleichung 1 folgt eine lineare Zunahme von sin mit der Wellenlänge. Jede Beugungsordnung außer m=0 enthält ein Spektrum, das bei Beleuchtung des Gitters mit einem Weißlichtbündel in der Brennebene des Objektivs abgebildet wird. Die Spektren können sich überlappen, da sin nur vom Produkt m. abhängt. Deshalb benötigt man bei Messungen über die 1. Ordnung hinaus Ordnungsfilter. Diese Filter werden automatisch bei Überschreiten der Ordnungsgrenzen der verwendeten Gitter eingeschwenkt. Die Verteilung der Lichtenergie auf die verschiedenen Ordnungen hängt stark vom Funktionsverlauf der Gitterperiode ab, z.b. von der Furchenform. 2.3 Faserdämpfung Für die Dämpfung der Lichtleistung in einer Glasfaser sind hauptsächlich 3 Mechanismen verantwortlich: - Absorption - Streuung - Strahlung a) Absorption. Die Strahlungsleistung wird an Verunreinigungen im Fasermaterial in Wärme umgesetzt. Besonders Ionen der Übergangselemente Cu, Fe, Co, Mn, Ni und das OH-Ion bewirken Absorptionsverluste im nahen Infrarotbereich. Das OH-Ion besitzt starke Absorptionsban- SpektraleDaempfung.doc Seite 2 von 10 Stand:

3 den bei 950, 1240 und 1390 nm. Die kritischen Konzentrationen liegen im ppb-bereich (ein Partikel auf eine Milliarde Teile reines Fasermaterial). Im UV- und längerwelligen IR- Bereich wird die Transmission durch die Eigenabsorption des Fasermaterials selbst begrenzt. Absorptionsverluste können durch reinere Ausgangsmaterialien und Dehydrierung d.h. Wasserentzug, verringert werden. b) Streuung Die Streuung allgemein erfolgt direkt am Fasermaterial selbst und ergibt somit die untere mögliche Grenze der Faserdämpfung. Die lineare Streuung - Rayleigh-Streuung - wird durch statistische Schwankungen der Brechzahl hervorgerufen und erfolgt in gleicher Weise in Vor- und Rückrichtung. Die gestreute Strahlungsleistung ist umgekehrt proportionel zur vierten Potenz der Wellenlänge: const. (Gl.2): P Str 4 Der hierdurch hervorgerufene Dämpfungsbeitrag fällt daher sehr rasch mit zunehmender Wellenlänge ab, im Gegensatz zu Streueffekten an größeren Materialeinschlüssen, die eher eine quadratische Wellenlängenabhängigkeit aufweisen. Neben dieser linearen Streuung, die bereits bei kleinen Leistungspegeln auftritt, existieren noch die Raman- und die Brillouin-Streuung. c) Strahlung Strahlungsverluste treten auf, wenn geführte in nichtgeführte Moden umgewandelt werden. Ursache dafür ist die Verkleinerung des V-Parameters der Faser. Kerndurchmesser, Indexprofil und numerische Apertur können herstellungsbedingt lokal schwanken (intrinsisch). V-Parameter können auch von außen durch lokale Störungen aufgeprägt werden (extrinsisch) z.b. durch induzierte Mikrokrümmungen (Microbending). Eine typische Meßkurve für die Gesamtdämpfung einer Multimodefaser zeigt Bild 1. Die SpektraleDaempfung.doc Seite 3 von 10 Stand:

4 gestrichelten Kurven beschreiben die Dämpfungsanteile durch Streuung, UV- und IR- Absorption. Bild 1: Gesamtdämpfung einer Multimodeglasfaser Die Dämpfung einer Glasfaser wird beschrieben durch den längenbezogenen Dämpfungskoeffizienten in db/km. (Gl.3): 10 P( L) log L P(0) L = Länge der Faser P(L) = Strahlungsleistung bei der Länge L P(0) = eingekoppelte Strahlungsleistung am Faseranfang. 3 Geräte 3.1 Monochromator Das Kernstück der Meßanordnung stellt der Monochromator SpectraPro-555 der Firma Acton Research Corporation dar mit einer bestmöglichen Auflösung von 0,008 nm im Bereich 180nm bis 600nm. Er arbeitet nach dem sog. Czerny-Turner-Prinzip (siehe Bild 2) und hat eine Brennweite von 50 cm. SpektraleDaempfung.doc Seite 4 von 10 Stand:

5 Bild 2: Strahlengang des Monochromators Der abbildungskorrigierte Flat-Field-Monochromator besitzt auf einem Gitterwechselrad 3 Liniengitter für verschiedene Wellenlängenbereiche. Das erste Gitter mit einer Strichliniendichte von 2400 Linien/mm hat eine Blazewellenlänge von ca. 100nm und wird für den Bereich 0 bis 350 nm verwendet. Das zweite Gitter hat eine Liniendichte von 1200 Linien/mm bei einer Blazewellenlänge von 750nm für den Bereich 350 bis 1100nm. Das dritte Gitter hat eine Blazewellenlänge von 1600nm und für den Bereich 1100 bis 3200nm einsetzbar. Mit diesen Gittern kann aus weißem Licht monochromatisches zwischen den Wellenlängen 43 nm und 3200 nm herausgefiltert werden. Die Beugungsgitter werden mit einem Schrittmotor so gesteuert, daß die der eingestellten Wellenlänge entsprechenden Beugungslinie gerade die Ausgangsblende passiert. Das transmittierte Licht gelangt entweder direkt auf einen Radiometer oder es wird z.b. bei Dämpfungsmessungen über ein Abbildungssystem (meist ein Mikroskop-Objektiv) auf den Kern eines Lichtwellenleiters abgebildet. Das Licht wird in den Lichtwellenleiter eingekoppelt, dort geführt und trifft erst nach der Auskopplung auf ein Strahlungsmeßgerät. SpektraleDaempfung.doc Seite 5 von 10 Stand:

6 3.2 Das Radiometer Das Radiometer ist ein Leistungs- bzw. Intensitäts-Meßgerät für optische Strahlung. Es beinhaltet einen Meßkopf bestehend aus einem Silizium-Detektor, der einen der Lichtintensität proportionalen Strom liefert; mit Hilfe eines Strom-Spannungswandlers wird das Analogsignal an ein IEEE-Interface weitergeleitet und über einen Datenbus digital an einen angeschlossenen PC übergeben. 4 Versuchsdurchführung 4.1 Dämpfungsmessung einer Kunststoff-Faser nach dem Cut-Back-Verfahren: Aus der Definition des Dämpfungskoeffizienten, der auch eine Funktion der Betriebswellenlänge ist, folgt die unmittelbare Meßmethode, das Cut-Back-Verfahren. Die Lichtleistungen P(0) am Faseranfang und P(L) am Faserende werden bei verschiedenen Wellenlängen gemessen. Danach läßt sich der Dämpfungskoeffizienten nach der Gleichung 3 errechnen. Der Meßaufbau ist in Bild 3 skizziert. Als Lichtquelle dient eine Halogenlampe, die weitgehend weißes Licht emittiert. Ein Monochromator filtert aus dem Emissionsspektrum der Lichtquelle die Meßwellenlänge aus. Das monochromatische Licht wird nun mit einem Mikroskopobjektiv in die Meßfaser eingekoppelt. Um die Empfindlichkeit der Meßanordnung zu erhöhen und um das Umgebungslicht zu eliminieren, wird die Lock-In-Technik eingesetzt. Die Empfindlichkeit des Lock-In-Verstärkers wird optimiert, indem zunächst eine 1m lange Testfaser montiert und im Wellenlängenbereich von 500nm bis 700nm abgescant wird. Die Faser wird auf beiden Seiten mit einem speziellen Stecker versehen, bündig abgeschnitten und mit 400er Schleifpapier, das vorher mit ein paar Tropfen Alkohol benetzt wurde, und einer Schleifhilfe plan geschliffen. Spezielle Steckerhalter werden auf die optische Bank gesetzt, die Stecker mit den Noppen horizontal mit den Buchsen verbunden und mit der Faser so justiert, daß die gemessene Intensität am Lock-In-Verstärker maximal wird. Nach dem Scan wird das Spektrum nach der Wellenlänge des Maximums der Intensität ausgewertet und die maximale Intensität auf ca. 2/3 des Meßbereichs der Analoganzeige durch Verändern der Breite des Eintrittspaltes eingestellt. Um eine vernünftige Dämpfungsmessung zu gewährleisten, muß die Intensität bei 1m Länge möglichst hoch, aber nicht in der Sättigung des Detektors liegen. Danach kann die eigentliche Meßfaser, die nach dem gleichen Verfahren präpariert wird wie die 1m Testfaser, auf der Schiene befestigt werden. Da die Einkoppelbedingungen SpektraleDaempfung.doc Seite 6 von 10 Stand:

7 während der Meßreihe nicht verändert werden darf, muß die Faser gut fixiert sein; dazu kann die Faser mit einem Streifen Tesafilm an der optischen Schiene befestigt werden. Zusätzlich sollte man bei 1m nach der Einkoppelstelle eine Markierung an der Faser befestigen und die Stelle leicht zugänglich montieren, da nach der Messung die lange Faser ohne Änderung der Einkoppelbedingungen auf 1m gekürzt werden muß. In einer ersten Meßreihe wird mit dem Steuerprogramm die Lichtleistung am Faserende als Funktion der Lichtwellenlänge im Frequenzbereich nm aufgezeichnet. Die Wellenlänge und die dazugehörige Lichtleistung werden abgespeichert. Anschließend werden etwa ein Meter der Meßfaser, von der Einkoppelseite her, vorsichtig abgeschnitten, die Faserendfläche präpariert und das Faserende mit dem Detektor verbunden. Während der zweiten Meßreihe mit der kurzen Faser wird die spektrale Dämpfung automatisch errechnet und angezeigt. Die Ergebnisse können ausgedruckt werden. Bild 3:Versuchsaufbau SpektraleDaempfung.doc Seite 7 von 10 Stand:

8 4.2 Bedienung der Meß-Software: Die Meß-Software wurde mithilfe des Softwarepakets LABWINDOWS von National Instruments in C entwickelt Die Bedieneroberfläche besteht aus einer Anzahl von Panels, die über ein übergeordnetes Menü angesteuert werden können. Die Menupunkte bzw. Unterpunkte werden im folgenden erklärt: File - File-Daten-Operationen; New - löscht alle Einstellungen und Graphen für neue Messungen; Load - lädt neues File; Save - sichert aktuelles File; Print - druckt folgende Meßkurven; ActualSpectrum - aktuelles Spektrum vom Spectrum-Panel; LongFiber - Spektrum der langen Faser vom Attenuation-Panel; ShortFiber - Spektrum der kurzen Faser vom Attenuation-Panel; Attenuation - spektrale Dämpfung; Exit - beendet das Programm; Measurement - Messungen Spectrum - öffnet den Spektrum-Panel; SpectralAttenuation - öffnet den Messpanel zur spektralen Dämpfung; Data - öffnet den Data-Panel; ActualData - zeigt das aktuelle Spektrum; LongData - zeigt das Spektrum der langen Faser, die der spektra len Dämpfungsmessung zugrunde liegt; ShortData - zeigt das Spektrum der kurzen Faser; Attenuation - zeigt die spektrale Dämpfung; System - Bedienungspanel der angeschlossenen Geräte; Monochromator - öffnet Monochromator-Steuerpanel; LockIn - öffnet LockIn-Verstärker-Steuerpanel Zur Vorjustierung der Testfaser verfährt man den Monochromator manuell über das Monochromator-Steuerpanel auf ca. 660nm und optimiert die Einkoppelung bzw. die Einstellung des Lock-In- Verstärkers. Der 1. Testscan wird vom Attenuation-Panel, der mit dem Menüpunkt Measurement > Monochromator aufgerufen wird, aus eingestellt und gestartet. Die Parameter Startwellenlänge Start Wavelength, Stopwellenlänge Stop Wavelength können bei den entsprechenden Numeric Controls eingetragen werden. Wenn der Scan-Type-Button gedrückt wird, erscheint ein Popup- Panel, bei dem man den zumessenden Fasertyp einstellen kann. Die hier verwendete Kunststoff- Faser ist eine PMMA-Faser. Bei Bestätigung des SpektraleDaempfung.doc Seite 8 von 10 Stand:

9 Popup-Panels durch Drücken des Ok -Buttons werden die Scangrenzen automatisch auf den Messpanel übertragen. Während der Messung ist es möglich, mit einem Stripchart im Realtime- Modus den Aufbau des Spektrums Punkt für Punkt zu beobachten. Ein Scanabbruch erfolgt bei Mouseclick auf den Exit-Button. Man hat 2 Möglichkeiten einen Scan zu starten. 1. Point-to-Point-Scan: Dieser Scan fährt jeden einzelnen Punkt an und mißt die Intensität. Der Parameter Points gibt die Anzahl der Messpunkte an. Bei dieser Scanart lässt sich der Scan auch bei jedem Punkt über den Hold -Button anhalten und danach durch nochmaliges Drücken fortfahren.. 2. Quick-Scan: Beim Quick-Scan muss die Scangeschwindigkeit Speed angegeben werden. Bei dieser Scanart läuft der Motor mit konstanter Geschwindigkeit den Scanbereich ab. Die einzelnen Punkte werden von der Software abgefragt. Es wird für die spektrale Dämpfungsmessung der Point-to-Point-Modus mit 400 Punkten empfohlen. Die aktuelle Intensität und Wellenlänge wird während dem Scan mit einem Indikator Control angezeigt. Nach dem Testscan, wie unter 4.1 beschrieben, bestimmt man die Wellenlänge des Maximums im Bereich 500nm bis 700nm, stellt die Wellenlänge manuell ein, und optimiert erneut den Lock-In- Verstärker. Die Einstellungen sollten nicht mehr verändert werden. Nun kann die lange Meßfaser am Versuchsaufbau befestigt werden.. Nach mechanischer Justage erfolgt die eigentliche Dämpfungsmessung. War der Scan erfolgreich, kann der Command Button STORE LONG gedrückt werden. Automatisch wird der Panel auf 2 Messkurven erweitert. Nach Kürzung der Faser auf 1m erfolgt ein Scan mit den gleichen Parametern wie bei der Messung der langen Faser. Die Differenzlänge der Faser wird nun am Numeric Control Length eingetragen. Die spektrale Dämpfung kann nun nach der Gleichung 3 errechnet und unter dem Spektrum der kurzen Faser im Realtime-Modus angezeigt. Der Dämpfungskoeffizient und die Spektren der langen bzw. kurzen Faser können nun über das Druck-Panel ausgedruckt werden. Die Überschrift, die X-Achsenbeschriftung bzw. Y-Achsen- Beschriftung lassen sich editieren; außerdem kann die Skalierung und der Zoom analog dem Data-Panel verändert werden. SpektraleDaempfung.doc Seite 9 von 10 Stand:

10 5 Arbeitsprogramm 5.1 Aufgaben: 1. Bauen Sie nach Bild 3 den Meßaufbau auf und justieren Sie zunächst mit dem Steckersystem von Hirschmann eine Kunststoff-Faser auf die optische Bank. Benutzen Sie zum Schleifen der Stirnflächen die bereitgestellten Schleifhilfen. 2.a) Führen Sie mit dem Steckersystem von Hirschmann eine spektrale Dämpfungs- messung im Bereich 500nm bis 700nm durch und drucken Sie den Verlauf für in Abhängigkeit der Wellenlänge aus. 2.b) Führen Sie mit dem SMA-Steckersystem eine spektrale Dämpfungsmessung analog a) durch. Bei SMA-Steckern ist zu beachten, dass beim Abschneiden ein kleiner Überstand stehen bleiben muß, den man zunächst mit dem groben Schleifpapier vorsichtig auf die Schleiffläche der Schleifhilfe plan abschleift. Danach kann mit Alkohol das feine Schleifpapier (Körnung 1000) benutzt werden. Zum Abschluss nicht vergessen, die Schleifspäne mit Alkohol gründlich abzuwischen. Die Endflächen bitte unter dem Mikroskop kontrollieren. 3. Nehmen Sie das Spektrum der LED GL05ZJ43 bei 32mA im Bereich 570nm bis 720nm für die Auswertung der Aufgabe 6 des Versuchs Kennlinienaufnahme von LEDs und Laserdioden auf und drucken Sie das Spektrum aus. 5.2 Fragen (Bitte schriftlich beantworten!) 1. Erläutern Sie die Wirkungsweise eines spektralen Gitters. 2. Was versteht man unter dem sog. Cut-Back-Verfahren? 3. Was für Vorteile bietet die Lock-In-Technik? 6 Literatur 1. O.Strobel, Lichtwellenleiter- Übertragungs- und Sensortechnik, VDE-Verlag 2. W.Bludau, H.M.Gündner, M.Kaiser, Systemgrundlagen und Messtechnik in der opt. Übertragungstechnik, Teubner-Verlag 3. W.Bludau, Lichtwellenleiter in Sensorik und optischer Nachrichtentechnik, Springer-Verlag SpektraleDaempfung.doc Seite 10 von 10 Stand: