Polarisationsanalysator für Faseroptik und Freistrahlanwendungen

Optische Messtechnik
Polarisationsanalysator für Faseroptik
und Freistrahlanwendungen
Ulrich Oechsner, Christian Knothe, Michael Schulz, André Lamott, Gregor Federau, Schäfter+Kirchhoff GmbH, Hamburg
Der Polarisationsanalysator SK010PA (Bild 1) ist ein universelles Mess- und Testsystem zur Bestimmung des
Polarisationszustandes (SOP, State of Polarization) von Laserstrahlen im Freistrahl und Laserstrahlquellen mit
polarisationserhaltender Faseroptik
D
A
E
F
Anwendung:
Justage von links- (s-) und rechtszirkular (s+) polarisierter Strahlung
C
Faserkollimator 60FC-Q-...
45°
mit integrierter
einstellbarer
l/4-Platte
B
Bild 1: Polarisationsanalysator für Faseroptik und Freistrahlanwendungen; genauere Beschreibung siehe Kasten „Polarisations-Messaufbau“
Polarisation und Kohärenz
Bei vielen Messverfahren kommt dem
Polarisationszustand der verwendeten Laserstrahlung eine besondere Bedeutung
zu. Licht ist eine transversale elektromagnetische Welle, die Feldvektoren schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
Von linear polarisiertem Licht spricht man,
wenn die Feldvektoren in einer definierten Ebene schwingen. Während das Licht
einer Glühlampe unpolarisiert ist, alle
Schwingungsrichtungen kommen gleich
häufig vor, emittieren Laser i. Allg. linear
polarisierte Strahlung.
Zwei Wellen werden an einem Ort als
kohärent bezeichnet, wenn sie dort eine
feste Phasenbeziehung zueinander haben. Nur bei der Überlagerung kohärenter Wellen treten Interferenzerscheinungen auf. Da die Strahlung zweier verschiedener Laser keine feste Phasenbeziehung zueinander hat, wird für Interferenzversuche die Strahlung eines Lasers
aufgeteilt, über getrennte Wege gelei-
tet, und phasenverschoben überlagert.
Da ein Laser Wellenzüge endlicher Länge
emittiert, ist Interferenz hierbei nur zu
beobachten, wenn der Gangunterschied
der Teilwellen kleiner ist als die Kohärenzlänge des Lasers.
Der Begriff der Kohärenz ist auch bei der
Beschreibung von Polarisationszuständen von Bedeutung. Durch die kohärente
Überlagerung zweier senkrecht zueinander linear polarisierter Strahlen wird linear, elliptisch oder zirkular polarisiertes
Licht erzeugt (Bild 2). Zirkular polarisiertes Licht tritt auf, wenn die überlagerten
Wellen die gleiche Amplitude haben, und
gegeneinander um eine viertel Wellenlänge (p/2) phasenverschoben sind. Dies
führt in Ausbreitungsrichtung zu einem
spiralförmigen Verlauf des Feldvektors.
An einem festen Ort hat der Feldvektor
eine konstante Amplitude und rotiert mit
der Frequenz des Lichts (z.B. etwa 470 x
1012 Hz bei der Wellenlänge 633 nm). Bei
rechtszirkular polarisiertem Licht (s+) rotiert der Feldvektor aus der Sicht eines
Polarisations-Messaufbau:
A Polarimeter SK010PA
B polarisationserhaltende Faser mit
FC-Stecker
C Faserkollimator mit l/4-Platte, z.B. zum
Einstellen von rechtszirkularer (s+) und
linkszirkularer (s-) Polarisation der Strahlung
• “plug & play” Gerät, keine Interface-­
Karte nötig, keine Stromversorgung
• Großer Spektralbereich
• kompatibel zum Mikrobanksystem für
Freistrahloptiken
• Blende zur Leistungsreduktion, zusätzlich zur internen Leistungs­regelung
• Messwerterfassung: 30 Hz
Grafische Darstellungen:
D Poincaré Kugel für PM ­Faser­­justage und
Strahl­quellen hoher Kohärenz
E Ellipse für Strahlung geringer ­Ko­hä­renz
mit geringem Polarisations­grad
F Balkengrafik mit Farb­umschlag rot /
grün für ­Fein­­­justage
Photonik 6/2009 1
y
Optische Messtechnik
x
y
y
x
x
y
x
y
y
y
x
y
Lineare Polarisation
Die Wellen in den beiden
orthagonal zu einander stehenden Ausbreitungsebenen
sind nicht phasenverschoben.
Zirkular Polarisation
Die Phasenverschiebung der beiden Wellen beträgt genau p/2
und die Amplituden sind gleich
groß; der Feldvektor rotiert an
einem festen Ort kreisförimig.
Bild 2: Verschiedene Polarisationszustände
Beobachters, der die Welle auf sich zukommen sieht, im Uhrzeigersinn, bei
linkszirkular polarisierten Licht (s-) entsprechend gegen den Uhrzeigersinn.
Schwingen die überlagerten Wellen in
Phase (Phasenverschiebung 0) oder gegenphasig (Phasenverschiebung p) resultieren wiederum linear polarisierte Wellen. Elliptische Polarisation tritt im allgemeinen Fall auf, wenn die Amplituden
und die Phasenverschiebung der überlagerten Wellen von den genannten Sonderfällen abweichen.
Polarisationserhaltende
­Singlemode-Fasern
Die Laserstrahleinkopplung in Singlemode-Faserkabel ermöglicht die räumliche Trennung von Laserstrahlquelle und
Messapparatur. Voluminöse, Abwärme
erzeugende Laserstrahlquellen können
in sicherer Entfernung vom Experiment
in separaten Räumen untergebracht werden. Die Verwendung fasergekoppelter
Laser hat auch aus Sicht des Laserschutzes
Vorteile. Es können räumlich verteilte
und trotzdem vollständig geschlossene
Apparaturen erstellt werden, bei denen
Gute Justage:
Steckerindexachse
= slow axis
Steckerindex
Kern
Schlechte
Justage:
Steckerindexachse
≠ slow axis
Winkelabweichung
m:\Bilder\Fasern-PM\PERvsAngle.ai
40
Extinktionsverhälnis / dB
Stressinduzierte
PANDA-Struktur
35
30
25
40 dB
30 dB
25 dB
20
15
0
1
2
Fehlausrichtung / Grad
3
4
Bild 3: Extinktion in Abhängigkeit vom
Drehwinkel der Polarisationsachse zur “slow“
bzw. “fast“ Achse der Faser, dargestell für
Fasern die bei idealer Ausrichtung verschiedene
Extinktionsverhältnisse (PER) haben. Bei einem
anfänglichen PER von 40 dB kommt es bei 1°
Fehlorientierung zu 10 dB Minderung.
2 Photonik 6/2009
x
x
y
stabilen linearen Polarisationszustand
mit hohem Polarisationsgrad zu erreichen.
Polarisationsanalysator SK010PA
x
Elliptische Polarisation
Liegt weder eine lineare noch
x eine zirkulare Polarisation vor,
so ist der Strahl elliptisch polarisiert. Der Feldvektor rotiert an
einem festen Ort elliptisch.
Der Polarisationsanalysator SK010PA gehört mit Abmessungen von ca. 40 x 70 x
82 mm zu den kompaktesten Geräten
seiner Klasse. Er wird direkt an die USBSchnittstelle des Auswerterechners angeschlossen. Die Spannungsversorgung erfolgt über die USB-Schnittstelle, ein externes Netzteil wird nicht benötigt.
Standardmäßig wird der Polarisationsanalysator mit einem Mikrobankadapter
für Ø12 mm Optiken und integrierter
Irisblende sowie einem FasersteckerAdapter für FC-APC und FC-PC Stecker
geliefert. Zusätzlich werden andere Faserstecker-Adapter (ST, DIN-AVIO, SMA,
PC, APC) und/oder Mikrobankadapter zur
Aufnahme von Optiken und Kollimatoren angeboten (Bild 4). Darüber hinaus
hat das Gerät Anschlussmöglichkeiten für
kein Laserstrahl ins Freie dringt (Laserschutzklasse 1). Singlemodefasern transportieren Strahlung in ihrem transversalen Grundmodus TEM00 . Beim Austritt
aus dem Faserkern liegt eine in guter
Näherung gaußförmige Feldverteilung
(Modenfeld) vor. Während die Strahlgüte verbessert wird oder erhalten bleibt
(die Faser wirkt als Raumfilter), ist der
emittierte Polarisationszustand instabil.
Er hängt von der Temperatur und der
Lage der Faser im
1 2 3 4
Faserstecker-Adapter
Raum ab. Alle Zu3
FC-APC / PC
ST
1
stände zwischen line2 DIN-AVIO PC / APC 4 F-SMA
ar und zirkular polaC
risiert können auftreMikrobankadapter
5
Adapter
mit
integrierter
ten.
Irisblende
PolarisationserhalA
6 Adapter für Optiken
C
tende Singlemodefa6
Ø12 mm, Ø25 mm und
sern (PM-Fasern) haØ32 mm
7 Adapter und Zwischenben integrierte Spanadapter für Optiken Ø45
nungselemente (sieu. Ø55 mm
5
he Bild 3), die den
A Faserkollimatoren
Erhalt des Polarisati mit l/4 Platte
onszustandes eines
B
7
B Faserkollimatoren
linear polarisierten
mit Ø 55 mm
Eingangsstrahls geC PM Singlewährleisten. Diese
modefaser
C
Fasern haben zwei
Bild
4:
Zubehör
und
Konfigurationsmöglichkeiten
des SK010PA
unabhängige Achsen, eine „schnelle“ Polarisationsanalysators
(fast) und eine „langsame“ (slow). Der
viele gängige optische Banksysteme.
Polarisationszustand linear polarisierter
Das Gerät steht in verschiedenen VersioStrahlung, die genau in einer der beiden
nen für Wellenlängenbereiche innerhalb
Achsen eingekoppelt wird, bleibt erhalvon 350 -1600 nm zur Verfügung.
ten. Bei Abweichungen ist die Strahlung
am Ende der Faser abhängig von der
Funktionsprinzip und
Kohärenzlänge der Strahlung entweder
Visualisierung des Messergebnisses
instabil elliptisch polarisiert (Vibrationen,
Temperaturänderungen und Biegen des
Die eingekoppelte Strahlung gelangt
Faserkabels verändern den Polarisationsdurch eine rotierende Viertelwellenplatzustand) oder anteilig depolarisiert. Beim
te und einen feststehenden Polarisator
Einkoppeln in polarisationserhaltende
auf einen Fotodetektor. Aus dem erfassSinglemodefasern muss die Faser daher
ten Fotostrom des Detektors und den
präzise zur Polarisationsrichtung des LaZeit/Positionssignalen der Viertelwellensers ausgerichtet werden.
platte berechnet die Software SKPolariDer Polarisationsanalysator SK010PA
meter die Stokes-Parameter der eintrefbringt spezielle Routinen mit, um diese
fenden Strahlung, die den PolarisationsJustageaufgabe schnell und zielgerichtet
zustand der Strahlung vollständig bezu lösen und am Faserausgang einen
schreiben.
Optische Messtechnik
rechtszirkular
R
linear
senkrecht
V
linear
-45°
Polarisationsellipse
linear
+45°
0°
-90°
+90°
linear
parallel
H
linkszirkular
L
Poincaré-Kugel
Die Poincaré-Kugel dient der anschaulichen
Darstellung eines Polarisationszustandes. Lineare Polarisationszustände sind in dieser Darstellung Punkte auf dem Äquator der Kugel. Der
Längengrad ist der doppelte Winkel der Polarisationsrichtung. Der Breitengrad ist die Phasenverschiebung zweier senkrecht zueinander polarisierter Wellen gleicher Amplitude, die zu
einem elliptischen Polarisationszustand kombinieren. Bei einer Phasenverschiebung von ±l/4
resultiert ein zirkularer Polarisationszustand,
der auf einem der beiden Pole liegt, d.h. beim
Breitengrad ±p/2 ( ±90°).
Polarisations-Ellipse
Eine andere Darstellungsart für den Polarisationszustand ist die Polarisations-Ellipse. Für einen bestimmten Beobachtungspunkt wird die
Amplitude des Feldvektors in einem Polardiagramm gegen den Azimuthwinkel aufgetra-
Das Messergebnis wird graphisch auf der
Poincaré-Kugel und als Polarisationsellipse dargestellt (siehe Kasten). Zur Visualisierung des Polarisationsgrades wird in
der Polarisationsellipse eine weitere Ellipse hinzugefügt. Diese beschreibt anschaulich die Amplitude, die ein rotierender Polarisator am Ort des Polarisationsanalysators durchlassen würde. Für vollständig polarisiertes Licht fällt diese Ellipse mit der Polarisationsellipse zusammen.
Für nur teilweise polarisierte Strahlung ist
sie in Richtung Kreis verformt. Bei vollständig unpolarisierter Strahlung resultiert ein Kreis, die Polarisationsellipse ist
in diesem Fall nicht definiert.
Die SKPolarimeter-Software enthält spezielle Funktionen zur Unterstützung der
Einkopplung in polarisationserhaltende
Singlemode-Fasern und zur Quantifizierung des Extinktionsverhältnisses (PER,
Polarization Extinction Ratio) der fertigen Fasereinkopplung.
180°
DOP
gen. Bei elliptischer Polarisation resultiert eine
Ellipse, die im linearen Fall zu einem Geradenstück und im zirkularen Fall zu einem Kreis
entartet.
Polarisationsgrad
Zusätzlich zum polarisierten Teil der Strahlung
kann ein unpolarisierter Anteil vorhanden sein,
der bereits von der Strahlquelle herrührt, oder
unter bestimmten Bedingungen in einer polarisationserhaltenden Singlemodefaser erzeugt
werden kann. Der Polarisationsgrad oder DOP
(Degree of Polarisation) beschreibt den Anteil
der polarisierten Strahlung an der insgesamt
vorhandenen Strahlung. Bei vollständig polarisierten Strahlquellen ist er eins, bei vollständig
unpolarisierter Strahlung null. Angezeigt wird
der DOP in der Polarisations-Ellipsendarstellung
als zusätzliche (gepunktete) Ellipse. Dabei gilt:
je schmaler die Ellipse, desto größer ist der linear polarisierte Anteil.
exakt in eine der beiden Polarisationsachsen der Faser eingekoppelt wird, rekombiniert am Faserausgang zu einem elliptischen Polarisationszustand in Abhängigkeit von der Temperatur und der Faserposition. Dabei erzeugen die möglichen
Polarisationszustände einer Faser einen
Kreis auf der Poincaré-Kugel (Bild 5A).
Die Position des Kreismittelpunkts ent-
spricht dem mittleren Extinktionsverhältnis der aktuellen Faserkopplung und befindet sich für eine ideal polarisationserhaltende Faser auf dem Äquator der Kugel. Der Messpunkt des Kreises mit dem
größten Abstand zum Äquator entspricht
dem schlechtesten Extinktionsverhältnis
der aktuellen Faserkopplung.
Der Radius des Kreises ist ein Maß für die
Winkelabweichung der Faserkopplung.
Je kleiner der Radius, desto besser ist die
Kopplerausrichtung. Im Idealfall wird der
Kreis zu einem einzelnen Punkt am Äquator der Poincaré-Kugel.
Im Softwaremodus PER wird eine Serie
von Polarisationsmessungen durchgeführt. Der Polarisationszustand am Faserende wird während der Messung durch
Druck- oder Temperaturschwankungen
verändert und führt zu einer kreisförmigen Punktwolke auf der Poincaré Kugel.
Nach der Messung wird ein Kreisfit über
die Punktwolke auf der Kugeloberfläche
durchgeführt.
Ziel der Justage ist es, den Radius des
Kreises zu minimieren. Dazu wird die Faserachse in Bezug zur linear polarisierten
Eingangsstrahlung gedreht. Als Justierhilfe wird der Kehrwert des Kreisradius in
Form eines Balkendiagramms logarithmisch dargestellt.
Ein zweites Messergebnis der Extinktion
zeigt den Polarisationszustand nach einer
Justage. Der kleinere Radius des Rings
zeigt an, dass die Änderungen des Polarisationszustands
minimiert
wurden
(Bild 5B). Bei einer abschließenden Messung werden der mittlere und minimale
PER-Wert auf einer linearen und logarithmischen Skala angezeigt.
PM Faserjustage mit kohärenten
Quellen
Das Extinktionsverhältnis PER am Ausgang einer polarisationserhaltenden Faser ist das Verhältnis der optischen Leistungen in den beiden „fast“ und „slow„
Hauptachsen der Faser.
Linear polarisiertes Licht, welches nicht
A
B
Bild 5: PM Faserjustage mit kohärenten Quellen
A nicht exakt justierte PM-Faser mit großer Winkelabweichung der Faserkopplung und
damit großen Änderungen des Polarisationszustands
B gut justierte PM-Faser mit minimalen Änderungen des Polarisationszustands
Photonik 6/2009 3
Optische Messtechnik
PM Faserjustage mit Strahlquellen
geringer Kohärenz
Die PER-Messprozedur in der PoincaréDarstellung ist nur für kohärente Strahlquellen mit hohem Polarisationsgrad anwendbar. Im Fall von Strahlquellen geringer Kohärenz erzeugt die Strahlung, die
nicht in der Hauptachse der Faser geführt
wird, einen unpolarisierten Strahlanteil.
Für diesen Fall wird in der Darstellung der
Polarisations-Ellipse eine zusätzliche (gepunktete) Ellipse dargestellt, die das Verhältnis zwischen linear polarisiertem Anteil und der Summe aus zirkular- und
unpolarisiertem Licht anzeigt (vgl. Kasten). Dann ist die Ausrichtung der Faserachsen zur Polarisationsrichtung des Lasers um so besser, je schmaler die Ellipse
wird.
Ausrichten von Viertelwellenplatten
Als Beispiel für eine Freistrahlanwendung des Polarisationsanalysators sei die
Ausrichtung und Quantifizierung von
Viertelwellenplatten genannt. In der
Quantenoptik werden für bestimmte
Magneto-optische Fallen zirkular polarisierte Strahlen mit definiertem Drehsinn
benötigt.
Schäfter+Kirchhoff liefert hierfür Faserkollimatoren mit integrierter Viertelwellenplatte, deren Ausrichtung mit einem
Spezialwerkzeug von außen verändert
werden kann. Mit Hilfe des Polarisationsanalysators werden die Kollimatoren auf
rechts- oder linkszirkulare Polarisation
eingestellt (siehe Bild 1).
Bei Rotation der Viertelwellenplatte beschreibt der Polarisationszustand der
emittierten Strahlung eine Art Acht auf
der Poincaré-Kugel (Bild 6). Die Extremwerte der Acht liegen idealerweise auf
den Polen der Kugel, dem Nordpol für
rechtszirkular polarisiertes Licht und dem
Südpol für linkszirkular polarisiertes
Licht. Weicht die tatsächliche Verzöge-
Interface: USB 2.0
Steuerung,
Datenüber­
tragung,
Spannungsversorgung
Fernsteuerung
Load DLL
USB-Kabel
(max. 5 Meter)
Client
Server
Anschluss
Remote
Control
über
USB 2.0 Kabel
PC oder Note- EthernetPC oder
book mit USB
Kabe­l
Notebook
2.0 und Ethernet (TCP/IP) mit Ethernet
4 Photonik 6/2009
InitPolarimeter
Bild 7: Analysesoftware SKPolarimeter
Links: Schnittstelle und Möglichkeiten für externen Zugriff
Rechts: Flussdiagramm eines Messablaufs
rung der verwendeten Wellenplatte von
l/4 ab, erreichen die Extremwerte der
Figur die Pole nicht. Die tatsächliche Verzögerung der Wellenplatte kann hieraus
bestimmt werden.
Externe Programmierung und
­Fernsteuerung
Zur Integration des Polarisationsanalysators in eine Anwendersoftware, z.B. zur
Realisierung eines speziellen Messablaufs, wird zusätzlich zum Programm
SKPolarimeter eine Laufzeitbibliothek
(DLL) geliefert (vgl. Bild 7). Alle Funktionen der SKPolarimeter-Software können
in eigene Projekte eingebunden werden.
Dazu zählen neben den Dialogfenstern
für die Eingabe von Mess- und Anzeigeparametern die grafischen Anzeigen und
die Routinen für PER-Messungen bei PMFasern. Der aktuelle Messpunkt kann
kontinuierlich an die externe Software
übertragen werden.
Alternativ kann der Polarisationsanalysator über das Netzwerk per TCP/IP ferngesteuert werden (Client/Server-Applikation). Der PC, an dem das Polarimeter angeschlossen ist, fungiert hierbei als Server. Andere Rechner im Netzwerk können
den Server ansprechen um Messungen
auszulösen und Messwerte abzurufen.
Mit dem Polarisationsanalysator SK010PA
wurde ein kompaktes Messgerät vorgestellt, mit dem ansonsten zeitaufwendige
Justieraufgaben effizient erledigt werden. Bei der Strahleinkopplung in polarisationserhaltende Fasern gelingt dies sowohl mit Strahlquellen hoher als auch
niedriger Kohärenz. Die Möglichkeiten
zur Einbindung in Anwendersoftware
entweder über eine Laufzeitbibliothek
(DLL) oder als Client/Server-Applikation
prädestinieren das Gerät für die Integration in automatische Produktionsabläufe.
Failure
No polarimeter
connected
Success
StartPolarimeter
Success
Zusammenfassung und Fazit
Bild 6: Polarisationsellipse für die Justage
von λ/4-Platten. Die Polarisations hat einen
8-förmigen Verlauf auf der Poincaré-Kugel
PC oder Notebook mit USB 2.0
Failure
Connection lost
Get
Measurement
Point
Failure
Connection lost
Success
Printer to
Data-Array
Technische Daten
Leistungsbereich: 0,01 - 50 mW
Strahlabschwächung:bis 0%
Auflösung: η: 0,2°, φ: 0,2°,
Extinktionsv. PER: 0.5 dB,
Polarisationsgrad: 5%
Messwerterfassung: 30 Hz
Spektralbereich:
350 - 450 nm SK010PA-UV
400 - 700 nm SK010PA-VIS
700 - 1100 nm SK010PA-NIR
1100 - 1600 nm SK010PA-IR
PC Schnittstelle:
USB 2.0 (inkl. Spannungs-
versorgung)
Zubehör (Lieferumfang):
• USB Kabel
• Adapter für Faserstecker vom Typ FC-APC
• Analysator Software: SKPolarimeter
für WINDOWS 7/
Vista/XP (32/64 Bit)
inklusive LabView- kompatibler DLL
Strahlabschwächung
LabVIEW® DLL
kompatibel zur
Mikrobank
Gewicht: 370 g
Literaturhinweise:
[1] F. Pedrotti, L. Pedrotti, W. Bausch, H.
Schmidt: Optik für Ingenieure, Grundlagen, Springer, Berlin, Heidelberg, New
York, 2. Auflage, 2002
[2] David S. Kliger, James W. Lewis, Cora Einterz Randall: Polarized Light in Optics and
Spectroscopy, Elsevier, Oxford, 1990
Ansprechpartner:
Dr. Ulrich Oechsner
Schäfter+Kirchhoff GmbH
Kieler Str. 212
D-22525 Hamburg
Tel. +4940-853997-0
Fax +4940-853997-79
eMail: [email protected]
Internet:www.sukhamburg.de