Versuch: Polarisationserhaltende optische Faser
Werbung
Version 06/2010 Dr. Robert Löw, Dr. Sven Ulrich (Überarbeitung: Bernhard Huber) Praktikum zur linearen Optik Versuch: Polarisationserhaltende optische Faser Überblick Polarisationserhaltende Fasern (PMF) sind optische Fasern, bei denen die Polarisation von linear polarisiertem Licht während und nach der Propagation durch die Faser erhalten bleibt. Es findet also kein Verlust von optischer Leistung in die anderen Polarisationsmoden statt. Während PMFs für die Telekommunikation über weiter Strecken aufgrund der größeren Lichtverluste und des höheren Preises nicht geeignet sind, werden sie überall dort eingesetzt, wo Polarisation eine wichtige Rolle spielt. Vor allem in der Atom- und Quantenphysik werden wird in den meisten Fällen auf PMFs zurückgegriffen Grundlagen Der folgende Absatz setzt die Grundlagen zum Versuch Optische Faser“ voraus. ” Es wird daher empfohlen, die entsprechende Anleitung vorher kurz durchzuschauen. Während bei einfachen Single-Mode-Fasern zwar das austretende Strahlprofil wohldefiniert ist (Gauss), gilt dies nicht für die Polarisation. Die austretende Polarisation hängt von vielen Faktoren ab wie z.B. die Temperatur der Faser oder mechanischen Spannungen im Core der Faser, wobei letzteres sehr sensitiv auf die Verlegung der Faser (Krümmung, Aufwicklung u.Ä.) ist. Es gibt verschiedene Design-Typen von polarisationserhaltenden Fasern. Das Funktionsprinzip der meisten basiert darauf, Abbildung 1: Übersicht über die gängigsten Typen polarisationserhaltender Fasern durch einen nicht rotationssymmetrischen Aufbau des Claddings oder durch sog. stress rods mechanische Spannung in einer definierten Richtung auf den Core der Faser auszuüben. Entlang dieser Richtung ist dann die definierte mechanische Spannung viel höher als alle anderen Spannungen durch Lage und Biegung der Faser. Wird nun Licht mit einer Polarisation parallel zur Spannungsachse in die Faser gekoppelt, so behält es diese Polarisation. Es gilt dabei zu beachten, dass die Richtung der Spannungsachse auf den Fasern nicht immer gekennzeichnet ist. Die gängigsten Typen polarisationserhaltender Fasern sind in Abb. 1 dargestellt. Versuchsvorbereitung • Machen Sie sich klar, was passiert, wenn sie einen linear polarisierten Laserstrahl durch ein Halbwellenplättchen (λ/2 plate) schicken. Um welchen Winkel wird die Polarisation des Lichts gedreht in Abhängigkeit des Winkels zwischen eingestrahlter Polarisationsrichtung und der schnellen bzw. langsamen Achse des λ/2 plates? • Bei einem polarisierenden Strahlteilerwürfel (PBSC) wird die horizontale Polarisation eines Laserstrahls transmittiert, die vertikale Polarisation reflektiert. Nehmen Sie an, dass der Laserstrahl zunächst vertikal polarisiert ist und dann vor dem PBSC noch durch ein λ/2 plate geht. Geben Sie den am PBSC reflektierten bzw. transmittierten Anteil der Laserleistung an in Abhängigkeit des Winkels zwischen der ursprünglichen Polarisationsrichtung und der schnellen Achse des λ/2 plates. Versuchsdurchführung • Koppeln Sie nun das Licht eines He-Ne-Lasers direkt in die PM-Faser ein. • Installieren Sie dann vor der Faser ein Halbwellenplättchen, um die Polarisation des Lichts drehen zu können. Versuchen Sie nun die Polarisationsrichtung so einzustellen, dass Sie entlang der Spannungsachse der Faser liegt. Bei der richtigen Polarisationseinstellung, sollten Schwankungen in der Polarisation nach der Faser, hervorgerufen durch lokale Erwärmung (Faser mit der Hand anfassen) oder durch Änderung der Krümmung (Faser etwas (!) biegen), minimal sein. Um Schwankungen in der Polarisation zu detektieren, benötigen Sie nach der Faser ein polarisationssensensitives Element. Überlegen Sie sich einen Aufbau, mit dem Sie die Schwankungen optimal messen können. Was ist die minimale Amplitude der Schwankungen, die Sie erreichen? Tipp: Sie werden zwei Einstellungen finden, bei dem die Schwankungen lokal minimal sind. Eine Einstellung entspricht der Polarisation senkrecht zur Spannungsachse der Faser, die andere (bessere) entspricht der Polarisation parallel zur Spannungsachse. • Alternativ können Sie auch einen sog. Polarisationsrotator nach der Faser einsetzen. Ein Polarisationsrotator ist ein Halbwellenplättchen, dass sich motorisiert mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht. In Kombination mit einem polarisationssensensitiven Element erreichen Sie so eine sinusförmige Intensitätsmodulation. In diesem Fall gilt es, die Modulationsamplitude zu maximieren, um polarisationserhaltend zu koppeln. Was ist nun die Schwankung in der Modulationsamplitude, die Sie erreichen, bei lokaler Erwärmung oder Biegung der Faser?
