Optische Signalübertragung

Fortgeschrittenenpraktikum für Lehramt
Optische Signalübertragung
KIT - Karlsruher Institut für Technologie
1
Einleitung
Heutzutage werden Daten sehr häug optisch übertragen.
Die Übertragung per Glasfaser quer durch die Ozeane
wird schon länger praktiziert, doch mittlerweile haben optische Technologien auch schon Einzug in die Haushalte im
Konsumgüterbereich gefunden (z.B. Toslink). Das einfachste und bekannteste optische Übertragungsgerät ist sicherlich
die Fernbedienung auf Infrarot-Basis für alle möglichen Unterhaltungselektronikgeräte oder Gerätesteuerungen.
Dieses Versuchspaket besteht aus zwei verschiedenen Versuchsteilen. Im ersten Teil können Sie ausprobieren, was man
mit Nah-Infrarot-Leuchtdioden machen kann. Sie werden erfahren, wie eine IR-Überwachungskamera funktioniert und
welche Signale eigentlich von einer gewöhnlichen Fernbedienung ausgesendet werden. Im zweiten Versuchsteil werden Sie
zunächst einfache und schultaugliche Versuche zur Datenübertragung mit Licht mit Hilfe von Leuchtdioden durchführen.
Sie verwenden dazu einfache Kunststo-Lichtwellenleiter.
Schlieÿlich werden Sie sich noch mit der Einkopplung von
Laserlicht in hochwertige optische Glasfasern beschäftigen, wie es in der Technik angewendet wird. Auch darüber können
Sie wieder Daten, in diesem Fall Musiksignale, übertragen.
Auÿerdem können Sie die Absorptionseigenschaften von
Kunststo- und Glasfasern vergleichen.
Hinweis:
Die Aufgaben, die Sie im Text verteilt nden, dienen als Vorbereitung zum Versuch. Aufgaben sollten Sie
VOR Versuchsbeginn bearbeitet haben.
1
Überwachungskamera und Fernbedienung: Anwendungen von InfrarotLEDs
1.1
Überwachungskamera
Um nachts sehen zu können, bedient man sich verschiedener Techniken. Die meisten Überwachungskameras für den
nächtlichen Einsatz arbeiten nicht, wie oft vermutet wird, wie Nachtsichtgeräte oder Wärmebildkameras. Nachtsichtgeräte
(wie z.B. vom Militär verwendete) arbeiten mit Restlichtverstärkern. Wärmebildkameras sind sehr teuer und detektieren
IR-Wärmestrahlung. Für die billigste und einfachste Methode in der Überwachungstechnik verwendet man jedoch ganz
gewöhnliche Kameras, da deren Chips auch sensitiv für den nahen IR-Bereich sind und leuchtet die Umgebung einfach
mit Infrarotlicht aus.
ˆ Aufgabe 1a:
Wie arbeiten Restlichtverstärker? Welche Wellenlängen sind hier relevant?
ˆ Aufgabe 1b:
Wie und bei welchen Wellenlängen arbeiten im Unterschied dazu Wärmebildkameras?
ˆ Aufgabe 1c:
Wie arbeiten Nah-IR Kameras und welche Vor- und Nachteile sehen Sie beim Vergleich mit
Restlichtverstärkern und Wärmebildkameras?
In diesem Versuchsteil sollen Sie dieses Prinzip kennenlernen, indem Sie mit einer ganz einfachen Digitalkamera Gegenstände in der Dunkelheit aufnehmen, die Sie mit einem Array von IR-Hochleistungsleuchtdioden beleuchten.
ˆ Versuch 1a:
Setzen Sie den IR-LED-Kranz (Achtung: Nicht mehr als 12 V an die LEDs anlegen!) an die Önung
der dunklen Kiste, in der sich Objekte benden und sehen Sie hindurch. Setzen Sie dann die Digitalkamera ein und
beobachten sie, wo und wie das IR-Licht reektiert wird.
ˆ Versuch 1b:
Besorgen Sie sich frisches Panzenmaterial (grüne Blätter etc.)
und legen es in die Kiste.
Was
beobachten Sie und warum?
1.2
Fernbedienung
Infrarotfernbedienungen enthalten eine IR-LED, die im Bereich von ca. 900nm arbeitet. Die Signalübertragung funktioniert nach einem einfachen Prinzip.
Ist die LED eingeschaltet, ist sie auf eine Trägerfrequenz im kHz-Bereich
(typischerweise 36 kHz - 42 kHz) moduliert.
ˆ Aufgabe 1d:
Können Sie sich vorstellen, welchen Zweck diese Trägerfrequenz erfüllt?
2
Nun muss natürlich noch die eigentliche Information auf dieser Trägerwelle übermittelt werden. Dies geschieht meist
durch Pulsbreitenmodulation, d.h.
es werden Pulse (Diode an) verschiedener Länge mit Pausen (Diode aus) in
entsprechenden Sequenzen ausgesendet. Jede Taste der Fernbedienung sendet also eine bestimmte Pulssequenz aus, die
der Empfänger dekodiert und die entsprechende Funktion ausführt. Im Grunde wird also ein Binärcode (Diode aus bzw.
Diode an) übermittelt.
Das Signal eines Tastendrucks sieht dann so aus:
ˆ
Zunächst leitet ein Startimpuls die Übertragung ein.
Er signalisiert dem Empfänger, dass nun eine Information
folgt.
ˆ
Dann folgt das Signal aus binären Bits, sie bestehen aus sog. Bursts und Pausen. Ein Burst ist eine Phase, in der
die Diode für eine denierte Anzahl an Wellenzügen der Trägerfrequenz an ist. Ein Burst und eine darauolgende
Pause gleicher Länge deniert eine 1, ein Burst und eine doppelt so lange Pause eine 0.
ˆ
Schlieÿlich folgt noch ein Endpuls, der den Schluss der Übertragung angibt.
Aufbau:
Der Aufbau ist denkbar einfach: An das Digitaloszilloskop wird ein handelsüblicher Receiver direkt an Kanal 1 angeschlossen, wie in Abb. 1 gezeigt. Hat man keinen zur Verfügung, so ist die einfachste Methode, eine Photodiode direkt
an d as Oszilloskop anzuschlieÿen (hier Kanal 2). Wir verwenden hier sogar eine einfache LED, die wir als Photodiode
betreiben. Zur Verfügung stehen die Fernbedienung eines DVD-Players und die zum Receiver gehörige Fernbedienung.
Abb. 1: Versuchsaufbau Fernbedienung
Bauen Sie obige Versuchsanordnung auf und führen Sie folgende Messungen durch:
ˆ Versuch 1c:
Verwenden Sie zunächst nur die Photodiode. Ermitteln Sie die Trägerfrequenz der LED der DVD-
Fernbedienung. Denken Sie daran, die Zeitachse sinnvoll einzustellen.
Übermitteln Sie nun das Signal der Taste 1 der Fernbedienung Start-/Endpuls: Erkennen Sie den Start- und den
Endpuls? Wenn Sie nicht sicher sind, können Sie mit einer anderen Taste vergleichen, Start- und Endpuls sollten immer
gleich sein. Wie sehen diese beiden Pulse konkret aus?
Information: Wie ist die binäre Pulsfolge für die Taste 1?
ˆ Versuch 1d: Schlieÿen Sie dann den Receiver an und vergleichen Sie zunächst das Signal der ersten Fernbedienung,
testen Sie dann noch die zweite Fernbedienung.
3
2
Datenübertragung mit Licht
Nie zuvor wurden weltweit so groÿe Datenmengen in immer kürzeren Übertragungszeiten übertragen wie heute.
Der
Datenverkehr von Telefonie, Fernsehen und Internet wächst stetig an und die Anforderungen an die Datenleitungen werden
immer gröÿer. Eine rein elektronische Übertragung käme hier an die Grenzen. Optische Übertragung gewährleistet eine
deutlich höhere Bandbreite, ist über groÿe Entfernungen einsetzbar und Signale müssen kaum verstärkt werden.
Die
groÿen weltumspannenden Backbones, die die Kontinente verbinden, sowie viele lokale Kommunikationsleitungen sind
im Wesentlichen Glasfasernetzwerke. Der kritischste Punkt bei der Datenübertragung mit Licht ist das Einkoppeln der
Signale in die Faser. Auÿerderm ist die Wellenlänge des Lichts entscheidend, mit der übertragen wird. Optische Fasern
zeigen charakteristische Dämpfungseigenschaften und man möchte ja mit möglichst wenigen Verlusten auskommen. Im
Versuch Lichtwellenleiter werden Sie sich mit solchen optischen Fasern und der optischen Übertragung durch Fasern
beschäftigen.
2.1
2.1.1
Lichtwellenleiter
Musikübertragung mit LEDs (Schulniveau)
Im Folgenden werden Sie einfache Versuche zur Musikübertragung mit Lichtwellenleitern aufbauen und testen. Zunächst
können Sie ein paar Varianten ausprobieren, wie sie sogar im Schulunterricht gemacht werden können. Im zweiten Teil
beschäftigen Sie sich dann mit weiterführenden Aspekten, die auch in der realen Umsetzung im Telekommunikationsbereich relevant sind.
Materialien:
ˆ
Lichtwellenleiter (transparent und ummantelt)
ˆ
verschiedenfarbige LEDs
ˆ
Fototransistor - Widerstände 470Ω, 1 kΩ
ˆ
Netzgerät zur Spannungsversorgung
ˆ
für Filter: Kondensator 4,7µF, 0,1µF, 10nF; Widerstand 10kΩ
ˆ
Handy/mp3-Player (falls nicht vorhanden, Funktionsgenerator)
ˆ
Multimeter
ˆ
Aktivlautsprecher
Achtung:
Achten Sie darauf, dass die Schaltung korrekt ist (Polung!), bevor Sie die Spannungsversorgung einschalten
und behandeln Sie die Bauteile vorsichtig es gab schon zu viele Opfer! Achten Sie darauf, dass Sie die Lichtwellenleiter
nicht zu extrem biegen oder brechen Risse verursachen Lichtaustritt und somit Dämpfung und Qualitätsverlust.
ˆ Aufgabe 2a: Was sind Vor- und Nachteile der Datenübertragung mit Licht gegenüber elektronischer Übertragung?
ˆ Aufgabe 2b:
Wie funktioniert die Datenübertragung mit Licht? Erklären Sie, welche optischen Phänomene eine
Rolle spielen und wie die Vorgänge im Wellenleiter aussehen.
ˆ Aufgabe 2c:
Was ist ein
Hoch-
bzw. ein
Tiefpasslter
und wie berechnet man jeweils deren
Grenzfrequenz ?
Wie müssen Sie die Schaltungen in den Versuchen anpassen, wenn Sie hohe bzw. niedrige Frequenzen herausltern
möchten? Skizzieren Sie diese. Hinweis: Verwenden Sie einen einfachen, passiven, RC-Hochpass bzw. -Tiefpass.
ˆ Aufgabe 2d: Für die Filter in der vorherige Aufgabe haben Sie einen 10k Ω-Widerstand sowie einen Kondensator
mit 0,1µF und mit 10nF zur Verfügung. Berechnen Sie die jeweilige Grenzfrequenz, die Sie damit erreichen können.
Welchen Kondensator nehmen Sie also für welchen Filter?
ˆ Versuch 2a:
Bauen Sie Schaltung 1 auf, wie in Abb. 2a abgebildet:
4
Messen Sie die Spannung am Transistor und variieren Sie die Sendedioden bzw. die Wellenleiter. Welche Unterschiede
stellen Sie fest?
Abb. 2a: Schaltung 1
ˆ Versuch 2b:
Sie sollen jetzt mit dem System Tonsignale übertragen. Schalten Sie dazu gemäÿ Schaltung 2 in die
Sendeseite ein Musik- oder Tonsignal aus dem mp3-Player oder dem Funktionsgenerator zu (in Abb. 2b durch die
1 symbolisiert).
Abb. 2b: Schaltung 2 (dies ist eine Erweiterung zu Schaltung 1 und stellt nur die Sendeseite dar)
Bei der Verwendung von Aktivlautsprechern ist eine extra Verstärkung in der Regel nicht mehr nötig. Wechseln Sie
wieder die Dioden bzw. die Wellenleiter und vergleichen Sie.
ˆ Versuch 2c:
Bauen Sie jetzt einmal einen Hochpasslter und einmal einen Tiefpasslter in die Empfangsseite mit
ein und hören Sie sich das Ergebnis an.
2.1.2
Technische Anwendung
In diesem Versuchsteil verwenden Sie einen diodengepumpten Festkörperlaser (DPSS). Das Lasermedium ist ein Kristall,
wie er auch in grünen Laserpointern verwendet wird. Er emittiert zwei Wellenlängen: 532nm und 1064nm. Dem Aufbau
liegen zwei Filter bei, mit denen Sie jeweils eine Wellenlänge herausltern können.
Für die ersten Versuche sollten
Sie nur den sichtbaren 532nm Strahl benutzen. Der Lasertreiber hat auÿerdem einen Modulationseingang, an den Sie
ein Handy oder einen mp3-Player anschlieÿen können (für Versuch 3d). Es wird dabei ein einfache Amplituden- bzw.
Intensitätsmodulation verwendet.
einzukoppeln.
Zunächst müssen Sie versuchen, möglichst viel Licht in die vorhandenen Glasfasern
Wenn Sie das erledigt haben, können Sie mit dem Laser mit zwei verschiedenen Wellenlängen Musik
übertragen.
ˆ Aufgabe 3a:
ˆ Aufgabe 3b:
Im Anhang A1 nden Sie einige Informationen zu optischen Fasern, lesen Sie diese zunächst durch.
Für das Praktikum stehen zwei Glas-Fasern mit den Kern-Durchmessern 50µm und 550µm zur
Verfügung. Deren numerische Apertur beträgt jeweils 0,22. Ist mit diesen Fasern ein Single-Mode-Betrieb möglich,
wenn wir Laserlicht der Wellenlänge 532nm darin übertragen wollen?
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ˆ Aufgabe 3c:
Welche Verluste/Probleme gibt es bei der Übertragung von Daten durch Glasfasern? Nennen Sie
mindestens 3 Beispiele.
In diesem Praktikum koppeln wir Licht nur in Multimode-Fasern ein. Durch den extrem kleinen Kerndurchmesser der
Singlemode-Fasern ist es nur mit fein einstellbaren Einkoppelmechaniken möglich, überhaupt Licht durch die Faser zu
bringen. Sie werden schon einen deutlichen Unterschied zwischen der 50µm und der 550µm Multimode-Faser bemerken.
ˆ Versuch 3a:
Versuchen Sie nun, den Laserstrahl so gut wie möglich in die zur Verfügung stehenden Glasfasern
einzukoppeln. Verwenden Sie zuerst die 550µm Faser. Bewerkstelligen Sie das über zwei Spiegel und eine Blende mit
Hilfe eines Beam Walks. Eine Anleitung dazu nden Sie im Anhang A2. Prüfen Sie die Ausgangsintensität mit dem
Power Meter und justieren Sie solange, bis Sie nicht mehr Intensität durch die Faser bekommen (Messen Sie auch
die Intensität des Lasers VOR der Faser, damit Sie wissen, wieviel Prozent davon Sie durch die Faser bekommen).
Setzen Sie dann das Objektiv vor die Fassung und justieren Sie es so, dass der Fasereingang im Objektivfokus liegt.
Wieviel Intensität messen Sie nun am Detektor?
ˆ Versuch 3b:
Machen Sie nun dasselbe für die 50µm Faser. Welche Unterschiede stellen Sie fest?
ˆ Versuch 3c:
Bestimmen Sie die numerische Apertur der 550µm Faser.
ˆ Versuch 3d: Übertragen Sie nun ein Musiksignal über die 550µm Faser, sodass es möglichst laut wieder ausgegeben
wird. Verwenden Sie die beiden Filter, um jeweils mit einer anderen Wellenlänge zu übertragen. Was fällt Ihnen
beim Anhören der Musik auf ?
2.1.3
Absorption in optischen Fasern
Wie in Aufgabe 3c bereits angesprochen, besteht bei der Lichtübertragung in optischen Fasern eine starke Dämpfung
in bestimmten Frequenzbändern, die u.a. aus der Anregung molekularer Schwingungen in bestimmten Frequenzbändern
resultiert.
Daher wählt man gezielt Frequenzbereiche aus, in denen möglichst wenig Dämpfung beobachtbar ist.
Telekommunikationsbereich werden vor allem Single-mode-Glasfasern verwendet, die bei
λ
= 1310 nm bzw.
λ
Im
= 1550
nm ihr Dämpfungsminimum haben, also im Nah-Infrarotbereich.
ˆ Versuch 4a:
Untersuchen Sie die in den vorherigen Versuchen verwendete Kunststofaser sowie die Glasfaser auf
ihre Dämpfungseigenschaften im sichtbaren Spektralbereich. Nehmen Sie dazu mit dem USB-Spektrometer jeweils
ein Referenzspektrum ohne Faser auf (beleuchten Sie direkt den Spektrometereingang) und eines nach Durchgang
durch die jeweilige Faser. Wählen Sie eine geeignete Lichtquelle dafür aus. Was beobachten Sie?
Hinweis: Sie können zur Messung der Glasfaser die kurze Faser verwenden, die dem Spektrometer beiliegt. Sie ist
vom selben Typ wie die Faser aus dem vorherigen Versuch.
6
Anhang A1: Lichtausbreitung in optischen Fasern
Meist werden mit Lichtwellenleiter Glas- oder Kunststofasern, die eine optische Signalübertragung ermöglichen
bezeichnet. Dies wird durch eine Variation des Brechungsindex innerhalb des Leiters realisiert. Hier wird unterschieden
in Stufenfasern, die aus einem Mantel mit Brechungsindex
n2
und einem Kern mit Index
n1 > n 2
bestehen, was zu
einem Stufenprol des Brechungsindex führt und Gradientenfasern, deren Brechungsindex im Kern kontinuierlich zur
Achse hin gröÿer wird.
Eine weitere Kategorisierung von Lichtwellenleitern bietet die Unterscheidu ng nach im Leiter
ausbreitungsfähigen Wellenformen. Man unterscheidet hier die
Single-Mode-
von der
Multi-Mode Faser.
Das bedeutet
einfach, welche Schwingungsmoden des durchgeleiteten Lichts ausbreitungsfähig sind. In Single-Mode Fasern kann sich
nur die Grundmode ausbreiten, die in der Regel eine gauÿförmige transversale Intensitätsverteilung aufweist (s. Abb. A1,
< 10µm), wie man auch unten noch sehen
> 100µm vielen Moden übertragen (s. Abb.
rechts)). Der Kerndurchmesser dieser Fasern ist sehr klein (Gröÿenordnung
wird. Multi-Mode Fasern können aufgrund Ihres groÿen Kerndurchmessers
A1, links)) und physikalisch mit Hilfe der Strahlenoptik beschrieben werden:
Abb. A1, links:
Strahlquerschnitt eines aus einer Multi-Mode Faser austretenden Lasers - man sieht im Wesentlichen eine
Überlagerung vieler Moden (lila/blau bedeutet: niedrige Intensität, rot: hohe Intensität); rechts: Gauÿ-Prol nach einer
Single-Mode Faser
Das Phänomen der Totalreexion an der Grenzäche zweier Medien mit den Brechungsindizes
Grundlage dafür.
Die Ausbreitung des Lichts in einer Stufenfaser (s.
werden: Trit ein Lichtstrahl unter dem Winkel
θA
Abb.
n1 > n2
ist die
A2a) kann auf diese Weise beschrieben
zum Einfallslot auf den Kern der Glasfaser, wird er unter
θ1
zum Lot
hin gebrochen (s. Abb. A2b). Es gilt nach Snellius:
1 · sin(θA ) = n1 · sin(θ1 )
Verfolgt man den Strahl weiter, so trit er unter dem Winkel
θC
(1)
auf die Grenzäche der beiden Medien der Faser.
Ist der Grenzwinkel der Totalreexion (oder gröÿer), so kann der Strahl die Faser nicht mehr verlassen.
θA
ist dann der
Önungswinkel des Akzeptanzkegels (oder kurz Akzeptanzwinkel), also der maximale Winkel, unter dem ein Lichtstrahl
auf den Lichtwellenleiter treen darf, um nicht wieder auszutreten.
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a)
b)
Abb. A2a): Single-Mode (=Monomode) und Multi-Mode Stufenindexfasern in simpler Skizze (beachte: Single-Mode Fasern
sind nicht geometrisch optisch beschreibbar). Der Brechungsindex ändert sich sprungartig zwischen Kern und Mantel der Faser
Abb. A2b): Strahlenoptische Betrachtung in der Stufenfaser
Der Sinus des Önungswinkels trägt die Bezeichnung numerische Apertur , die meist als charakteristisches Maÿ für
Glasfasern angegeben ist und auch bei der Beschreibung von optischen Geräten im Allgemeinen eine wichtige Rolle spielt.
Beim Einkoppeln von Licht in eine Glasfaser ist es optimal, wenn die einkoppelnde Optik (z.B. ein Objektiv), dieselbe
numerische Apertur besitzt wie die Faser - nur dann ist der Eintrittswinkel ideal und die eingekoppelte Lichtintensität am
gröÿten.
Die numerische Apertur lässt sich hier, wie im Folgenden beschrieben wird, aus den Brechungsindizes
berechnen. Wiederum nach Snellius folgt für
θC = sin−1 (
Da, wie man in Abb. A1 erkennen kann
n1
und
n2
θC :
θ1 = 90o − θC
n2
)
n1
(2)
gilt, folgt mit Gleichung (1):
N A = sin(θA ) = n1 sin(90o − θC ) = n1 cos(θC )
(3)
Man kann die numerische Apertur jedoch auch auf einfache Weise bestimmen, indem man den Strahldurchmesser
nach dem Austritt aus der Faser in einem bestimmten Abstand misst, daraus den Önungswinkel
numerische Apertur über
N A = sin(θA )
θA
und damit die
ermittelt
Für eine genaue Beschreibung der Lichtausbreitung in Fasern muss die Wellengleichung aufgestellt und gelöst werden.
Insbesondere bei den Single-Mode Fasern ist aufgrund Ihrer kleinen Kerndurchmesser eine strahlenoptische Betrachtung
gar nicht mehr möglich. Da diese Herleitung sehr komplex ist, soll hier darauf verzichtet werden. Ein wichtiges Ergebnis
aus der Lösung der Wellengleichung ist jedoch die sog.
V =
Wobei
dcore
der Kerndurchmesser der Faser ist,
numerische Apertur der Faser.
V-Zahl
oder auch
normierte Frequenz:
dcore · π
· NA
λ0
λ0
(4)
die Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts und
NA
die
Dieses Ergebnis gilt für die hier betrachteten Stufenindexfasern und die Gröÿe des
Paramters V gibt an, ob sich in der Faser nur eine oder mehrere Moden ausbreiten können. Nur für
V < 2, 4
ist eine
einmodige Übertragung, also Single-Mode Betrieb möglich.
Single-Mode Fasern sind in der Datenübertragung besonders für die Übertragung über groÿe Entfernungen geeignet,
da sie ein sehr geringe Dämpfung (und damit Intensitätsverluste) aufweisen. Multi-Mode Fasern nimmt man häug für
kürzere Entferungen. Die hier beschriebenen Studenindexfasern werden z.B. für kurze Datenleitungen (Computer etc.)
verwendet.
8
Anhang A2: Einkoppeln des Lasers in die Faser
Soll ein Laserstrahl in eine Glasfaser eingebracht werden, so muss er möglichst senkrecht beziehungsweise mit einem
kleinen Einfallswinkel auf die Stirnäche der Faser gerichtet sein und ein groÿer Teil des Laserlichts sollte auf den Kern
der Faser und nicht auf den Mantel oder die Fassung treen. Dies wird durch zwei justierbare Spiegel realisiert, über
die der Laserstrahl umgelenkt wird, bevor er auf die Faser trit, wie man in Abb. A3 erkennen kann. Zusätzlich ist eine
Blende, die mit der Önung der Faser in einer Linie ausgerichtet ist, notwendig, um den Strahl genau einzustellen. Mit
diesen Hilfsmitteln wird nun ein Beamwalk durchgeführt.
Abb. A3:
Strahlengang zur Einkopplung eines Laserstrahls in eine Glasfaser
Durch die beiden Spiegel zwischen Laserdiode und Blenden ist eine genaue Einstellung des Strahls möglich.
Der
Laserstrahl wird dabei über zwei Spiegel gelenkt, trit dann durch eine Blende und weiter hinten auf den Fasereingang.
Da der erste Spiegel einen gröÿeren Abstand zu Blende und Fassung hat, verändert er die Position des Strahls bei der
Blende bei einer Drehung um einen bestimmten Winkel stärker als der zweite Spiegel. Der erste Spiegel ist also dafür
geeignet die Position des Strahls einzustellen, ohne stark auf den Einfallswinkel einzuwirken. Verwendet man zu dieser
Einstellung die Blende, so ist die Genauigkeit wegen des geringeren Abstands kleiner als am Fasereingang.
Trotzdem
ergibt sich daraus ein praktischer Vorteil: Ist der Strahl durch Einstellen des ersten Spiegels auf die Önung der Blende
gerichtet, so ist am Fasereingang direkt ersichtlich, ob der Einfallswinkel korrigiert werden muss. Nur wenn Position und
Einfallswinkel stimmen, trit der Strahl genau durch die Blendenönung bzw. auf den Fasereingang. Entsprechend wird
er nach der ersten Einstellung der Position nicht auf die Önung des Fasereingangs treen, sondern daneben auf der
Fassung zu sehen sein. Da es nun möglich ist, den Einfallswinkel durch den zweiten Spiegel zu ändern, ohne an der ersten
Blendenönung eine groÿe Änderung der Position zu verursachen, kann der Winkel direkt eingestellt werden, indem der
Strahl mit Hilfe des zweiten Spiegels auf den Fasereingang gerichtet wird. Dafür ist es notwendig, die Önung der Blende
zu vergröÿern. Durch mehrfaches, abwechselndes Durchführen dieser beiden Schritte, kann der Laserstrahl sehr genau
ausgerichtet werden. Betrachtet man die Intensität am Faserausgang mit einem Power Meter, so kann man überprüfen,
ob das Einkoppeln des Lichtes in die Faser funktioniert.
Zur besseren Einkopplung kann dann ein Objektiv mit geeigneter numerischer Apertur vor den Fasereingang gesetzt
werden.
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Anhang A3: USB-Spektrometer
Abb. A4 zeigt das USB-Spektrometer, das Sie für die Absorptionsmessung mit den optische Fasern verwenden können.
Sie müssen es einfach nur an einen USB-Port des Computers anschlieÿen, zur Messung verwenden Sie die Thorlabs
OSA Software. Der Eingang des Spektrometers ist mit Fiber in (SMA) gekennzeichnet. Hier können Sie direkt Licht
einstrahlen bzw. eine Faser ankoppeln. Bitte behandeln Sie das Gerät vorsichtig, es ist hochempndlich! Die Glasfaser
können Sie direkt mit Hilfe des Gewindes aufschrauben, die Kunststofaser können Sie vorsichtig ein ganz kleines Stück
in den Eingang schieben und dann festhalten.
Abb. A4:
USB-Spektrometer
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