Versuch: Optische Faser
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Version 06/2010 Dr. Robert Löw, Dr. Sven Ulrich (Überarbeitung: Bernhard Huber) Praktikum zur linearen Optik Versuch: Optische Faser Überblick Mit optische Fasern ist es möglich, Licht über große Distanzen bequem zu übertragen. Sie kommen daher in vielfältigen Bereichen zum Einsatz. In der Telekommunikation werden optische Fasern eingesetzt, da sie verglichen mit Kupferkabeln Datenübertragungen über größere Distanzen und aufgrund der kürzeren Wellenlänge auch mit höherer Bandbreite ermöglichen. Ferner kommen Fasern zum Einsatz in der Medizintechnik (z.B. Endoskope) und in der Materialbearbeitung (Leitung von Schweißlaserlicht). Im Bereich der Atom- und Quantenphysik werden optische Fasern hauptsächlich bei der Detektion von Licht (Leitung von Licht zum Detektor) oder zur komfortablen Übertragung von Laserlicht von einem Ort zum anderen im Labor. Letzteres hat zusätzlich den Vorteil, dass die zwei verbundenen optischen Aufbauten dann unabhängig voneinander sind, d.h. eine eventuelle Drift in der Strahlrichtung beim einen Aufbau hat keine Auswirkungen auf den Strahlverlauf beim anderen Aufbau. Gelegentlich werden Single-Mode-Fasern (siehe unten) auch benutzt, um ein Strahlprofil gaussförmig zu machen. In diesem Versuch soll die Handhabung von optischen Fasern praktisch erlernt werden. Es wird die Einkopplung in eine Single-Mode-Faser vorgenommen inklusive der Anpassung des Strahldurchmessers. Grundlagen Die Lichtleitung in optischen Fasern beruht auf dem Prinzip der Totalreflexion. Eine zylindrische Glasfaser (Core) ist dabei von einem Material mit geringerer optischer Dichte umgeben (Cladding) Die Bedingung für die Totalreflexion lässt sich mit dem Snellius’schen Brechungsgesetz n2 sin α = (1) sin β n1 berechnen. Dabei ist α der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Lot auf der Grenzfläche, β der Winkel zwischen Lot und dem ausfallenden Strahl. n1 ist die Brechungsindex des Mediums des einfallenden Strahls, n2 die Brechungsindex des Mediums des ausfallenden Strahls. Übersteigt der Winkel α einen bestimmten Grenzwert, so ist die Lichtbrechung nicht mehr möglich und der einfallende Lichtstrahl wird total reflektiert. Den Grenzwinkel erhält man, indem man den Winkel β = 90◦ wählt1 . Damit ist der Grenzwinkel durch n2 (2) sin αc = n1 bestimmt2 . Dieser Winkel wird in Glasfasern in der Regel immer überschritten. Nur bei sehr kleinem Krümmungsradius (z.B. bei einem Knick in der Faser) ist 1 d.h. 2 Der der ausfallende Strahl wäre parallel zur Grenzfläche Grenzwinkel zwischen Glas und Luft beträgt 42◦ die Totalreflexion nicht mehr gegeben. Wie viel Licht dann an der Austrittsstelle transmittiert bzw. reflektiert wird, ergibt sich aus den Fresnelschen Formeln. Fasertypen Es gibt hauptsächlich zwei Fasertypen: Single-Mode- und Multi-Mode-Fasern. Fasern mit einem großen Core (∅ > 10µm) werden als Multi-Mode-Fasern bezeichnet. Für das Verständnis dieser Fasern reicht geometrische Optik, wie oben beschrieben, aus. Der Grenzwinkel, der durch die Brechungsindizes von Core und Cladding gegeben ist und oft auch als numerische Apertur bezeichnet wird, bestimmt den Akzeptanzwinkel (siehe Abb. 1). Ein großer Akzeptanzwinkel erleichtert zwar das Einkoppeln eines Laserstrahls in die Faser, aber durch die vielen unterschiedlichen Lichtwege kommt es nach einer kürzeren Strecke zu ungewollten Interferenzerscheinungen. In der zivilen Telekommunikation ist der Core-Durchmesser von Abbildung 1: Lichtpropagation in einer optischen Multi-Mode-Faser. Multimode-Fasern auf 50µm (EU-Standard) bzw. 62.5µm (US-Standard) genormt. Je nach gewünschter Datenrate ist damit die Reichweite auf ca. 500m bzw. 275m beschränkt. Fasern mit einem Core-Durchmesser, der kleiner als das Zehnfache der Wellenlänge ist (siehe Abb. 2), können nicht mehr durch geometrische Optik beschrieben werden. Diese sog. Single-Mode-Fasern können nur die TEM 00-Mode (GaussMode) eines Laserstrahls führen. Höhere Ordnungen werden ausgedämpft. Abbildung 2: Typischer Aufbau einer Single-Mode-Faser. Für die Lichtleitung ausschlaggebend sind der Core (1) (∅ ca. 3−9µm) und das Cladding (2) (∅ ca. 125µm). (3) und (4) sind Schichten, die hauptsächlich der mechanischen Stabilisierung dienen. Durch den kleineren Kerndurchmesser ist es deutlich schwieriger, Licht in eine Single-Mode-Faser einzukoppeln als für Multimodenfasern. Hierfür verwendet man eine Kollimationsoptik (Einkoppeloptik), in die man mit einem kollimierten (parallelen) Strahl einkoppelt. Dabei ist die Koppeleffizienz am höchsten, wenn man den Strahl vor der Faser möglichst genau an die Kollimationsoptik anpasst. Das heißt der Strahldurchmesser sowie die Divergenz des Strahles müssen auf das entsprechende Kollimationsoptik angepasst werden, um die Effizienz zu maximieren3 . 3 Effizienzen von über 80% sollten typischerweise erreichbar sein Versuchsvorbereitung • Nehmen Sie einen gekrümmten Glasstab aus Quarzglas (n = 1.46, ∅ 4.8mm) an, durch den ein Laserstrahl geschickt wird. Berechnen Sie den minimalen Krümmungsradius, bei dem noch Totalreflexion stattfindet für den Fall, dass sich der Stab a) in Luft (n = 1) bzw. b) in Wasser (n = 1.33) befindet. • Bei der im Praktikum verwendeten Faser (Schäfter und Kirchhoff, PMC 6304,6-NA011-3-APC-200P) ist der Durchmesser der gaussförmigen Mode (2 x Beam waist w0 = Modenfelddurchmesser MFD) 4µm. Berechnen Sie mit Hilfe der Theorie der Gauss’schen Strahlen die Divergenz (numerische Apertur) des austretenden Strahls. • Lesen Sie sich das auf der Homepage erhältliche Dokument Umgang mit ” optischen Bauteilen und Instrumenten“ durch und machen Sie sich mit den wichtigsten optischen Bauelementen vertraut. Die letzte Seite des Dokuments enthält einen Part über Lasersicherheit. Drucken Sie diese Seite aus und bestätigen Sie mit Ihrer Unterschrift deren Kenntnisnahme (vor Beginn des Praktikums!). • Lesen Sie sich vorher schon einmal den Teil Versuchsdurchführung“ durch. ” Überlegen Sie sich schematisch einen Aufbau für die letzten beiden Punkte der Versuchsdurchführung. Sie können für den Aufbau Spiegel (Spiegelhalter: 2 Freiheitsgrade zur Strahljustage), polarisierende Strahlteilerwürfel und Halbwellenplättchen einplanen. Beachten Sie ferner, dass auch die Fasereinkoppler auf Spiegelhaltern montiert sind und dort somit auch 2 Freiheitsgrade zur Strahljustage zu Verfügung stehen. Versuchsdurchführung • Koppeln Sie zunächst das Licht eines Laserpointers in einen gekrümmten Glasstab ein. Messen Sie die transmittierte Leistung am anderen Ende des Stabs mit einem Powermeter. Wiederholen Sie dieselbe Messung nocheinmal, während sich der gekrümmte Teil des Stabs unter Wasser befindet. Vergleichen Sie den minimalen Krümmungsradius des Stabs mit Ihren berechneten Werten aus der Versuchsvorbereitung. Stimmen die Beobachtungen mit den Erwartungen qualitativ überein? • Koppeln Sie nun das Licht eines He-Ne-Lasers direkt in die Single-Mode-Faser ein. Überlegen Sie sich hierfür genau, wie viele Freiheitsgrade (= Stellschrauben an Spiegeln o.Ä.) Sie benötigen, um die Strahllage allgemein einstellen zu können. Wählen Sie ihren optischen Aufbau entsprechend. Maximieren Sie nun die Transmission durch die Faser. Welche Koppeleffizienz erreichen Sie? • Versuchen Sie nun, die Mode des Laserstrahls an die Faser anzupassen, indem Sie den Strahldurchmesser mit Hilfe zweier Linsen in Kepler-TeleskopKonfiguration an die Kollimationsoptik anpassen. Probieren Sie verschiedene Linsenpaare oder Kollimationsoptiken. Benutzen Sie die Koppeleffizienz als Indikator, welche Konfiguration am besten ist. Welche Koppeleffizienz erreichen Sie nun? Tipp: Um optimal in eine Faser einzukoppeln, müssen Sie auch die Strahlmode anpassen. Dazu ist es oft sehr nützlich, zuerst einen Hilfsstrahl“ von ” der anderen Seite (=Ende) der Faser einzukoppeln. Die Mode und Lage dieses Strahl an der Austrittsstelle (=Anfang) der Faser ist dann genau diejenige, mit der Sie auch den eigentlichen Strahl einkoppeln sollten. Sie müssen also nur noch den eigentlich einzukoppelnden Strahl am Anfang der Faser dem Hilfsstrahl“ sowohl in Lage als auch in der Mode anzupassen. ”
