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Faseroptischer Bragg-Gitter-Sensor mit faseroptischer Auswertung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000016915D
Original Publication Date: 1999-Jan-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-21
Document File: 3 page(s) / 23K

Publishing Venue

Siemens

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Dr. Peter Krämmer: AUTHOR

Abstract

Aufgrund der Braggschen Reflexionsbedingung k* l = 2*d*sin J ist bekannt, daß man die Wellenlänge l (k = 1, 2, 3 ...) einer durch ein Bragg-Kristallgitter reflektierten Strahlung dadurch bestimmen kann, indem man den zweifachen Abstand der Gitterebenen im Kristall mit dem Sinus des Winkels ( J ) zwischen Gitterebene und dem einfallendem Strahl multipliziert. Faseroptische Bragg-Gitter-Sensoren machen sich diesen bekannten Zusammenhang zunutze und reagieren auf eine Änderung des Brechungsindexes und des Gitterabstandes, welche durch eine Meßgröße wie z.B. eine Temperatur oder eine mechanische Spannung bewirkt werden, mit einer Änderung der reflektierten Bragg- Wellenlänge. Ein faseroptisches Bragg-Gitter kann mit konstanter oder auch mit gechirpter, d.h. mit zu- oder abnehmender Gitterperiode ausgebildet sein. Im ersten Fall refektiert das Bragg-Gitter im wesentlichen nur eine einzige Wellenlänge, im zweiten Fall dagegen einen größeren Wellenlängenbereich. Ein faseroptisches Bragg-Gitter mit gechirpter Gitterperiode wird hier als chirped Fasergitter bezeichnet. Sieht man außer der gechirpten Gitterperiode zusätzlich eine Schrägstellung von Gitterlinien des Bragg-Gitters vor, so kann man dadurch auch die Reflexionscharakteristik innerhalb des reflektierenden Wellenlängenbereichs beeinflussen. Den Winkel zwischen den schräggestellten Gitterlinien und der Normalen zur Lichtausbreitungsrichtung nennt man Blaze-Winkel. Durch diese Gitter-Schrägstellung wird ein einfallender Licht-Mode zumindest teilweise in einen Cladding-Moden gekoppelt, so daß keine weitere Ausbreitung dieses Anteils in der optischen Faser mehr erfolgt. Um innerhalb des reflektierenden Wellenlängenbereichs mit zunehmender Wellenlänge einen abnehmenden Reflexionsfaktor zu erhalten, ist ein in Richtung des einfallenden Lichtes zunehmender Blaze-Winkel notwendig. Ein Bragg-Gitter mit linear abnehmender Reflektivität wird in der englischsprachigen Fachliteratur als ‘Linear discriminator fiber Bragg grating’ bezeichnet.

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Bauelemente

Faseroptischer Bragg-Gitter-Sensor mit faseroptischer Auswertung

Idee: Dr. Peter Krämmer, Erlangen

Aufgrund der Braggschen Reflexionsbedingung k*� l� � = 2*d*sin� � J� � ist bekannt, daß man dieWellenlänge� � l� � (k = 1, 2, 3 ...) einer durch ein Bragg-Kristallgitter reflektierten Strahlungdadurch bestimmen kann, indem man den zweifachen Abstand der Gitterebenen im Kristallmit dem Sinus des Winkels (� J� ) zwischen Gitterebene und dem einfallendem Strahlmultipliziert. Faseroptische Bragg-Gitter-Sensoren machen sich diesen bekanntenZusammenhang zunutze und reagieren auf eine Änderung des Brechungsindexes und desGitterabstandes, welche durch eine Meßgröße wie z.B. eine Temperatur oder einemechanische Spannung bewirkt werden, mit einer Änderung der reflektierten Bragg-Wellenlänge.

Ein faseroptisches Bragg-Gitter kann mit konstanter oder auch mit gechirpter, d.h. mit zu-oder abnehmender Gitterperiode ausgebildet sein. Im ersten Fall refektiert das Bragg-Gitterim wesentlichen nur eine einzige Wellenlänge, im zweiten Fall dagegen einen größerenWellenlängenbereich. Ein faseroptisches Bragg-Gitter mit gechirpter Gitterperiode wird hierals chirped Fasergitter bezeichnet. Sieht man außer der gechirpten Gitterperiode zusätzlicheine Schrägstellung von Gitterlinien des Bragg-Gitters vor, so kann man dadurch auch dieReflexionscharakteristik innerhalb des reflektierenden Wellenlängenbereichs beeinflussen.Den Winkel zwischen den schräggestellten Gitterlinien und der Normalen zurLichtausbreitungsrichtung nennt man Blaze-Winkel. Durch diese Gitter-Schrägstellung wirdein einfallender Licht-Mode zumindest teilweise in einen Cladding-Moden gekoppelt, so daßkeine weitere Ausbreitung dieses Anteils in der optischen Faser mehr erfolgt. Um innerhalbdes reflektierenden Wellenlängenbereichs mit zunehmender Wellenlänge einen abnehmendenReflexionsfaktor zu erhalten, ist ein in Richtung des einfallenden Lichtes zunehmenderBlaze-Winkel notwendig. Ein Bragg-Gitter mit linear abnehmender Reflektivität wird in derenglischsprachigen Fachliteratur als ‘Linear discriminator fiber Bragg grating’ bezeichnet.

Es ist ein faseroptisches Bragg-Gitter-Sensorsystem bekannt, bei dem mehrere der obenbeschriebenen chirped Fasergitter mit zunehmenden Blaze-Winkel alsmeßgrößenempfindliche Sensorelemente dienen und das mit einer schmalbandigenLichtquelle angesteuert wird (vgl. AD Kerse...