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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Sensors und ein Verfahren zum Herstellen einer Pulsformvorrichtung.
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Bei der spektralen Kalibrierung von optischen Empfängern wie Solarzellen, UV-Radiometern, Photometern, Filterempfängern und Spektroradiometern, werden zurzeit Monochromatoren eingesetzt, die mit Hilfe von optischen Gittern oder Prismen einen schmalen Wellenlängenbereich aus dem Spektrum einer Weißlichtquelle aussondern. Jedoch erhält man so nur geringe Strahlungsleistungen, die für manche Anwendungen nicht ausreichend sind.
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Es ist daher wünschenswert, leistungsstarke, spektral durchstimmbare Laser einsetzen zu können.
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Es existieren zwar einerseits echte kontinuierlich arbeitende Laser (cw-Laser, englisch: continous wave laser, Laser mit gleich bleibender Strahlungsintensität), diese haben jedoch den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer hohen Kohärenzlänge Interferenz-Probleme verursachen.
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Es ist ein weiterer Nachteil, dass diese cw-Laser nicht über den gesamten benötigten Wellenlängenbereich automatisiert durchstimmbar sind.
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Andererseits existieren gepulste Laser mit Repetitionsraten von zurzeit maximal 80 MHz, die über den gesamten benötigten Wellenlängenbereich automatisiert durchstimmbar sind. Derartige gepulste Laser senden mit einer Repetitionsrate kurze Pulse aus. Beispielsweise geben derartige gepulste Laser alle 12 ns weniger als 200 fs dauernde Pulse ab. Dieses Licht ist beispielsweise zur Kalibrierung von optischen Empfängern nicht geeignet, da in den Empfängern Übersättigungen mit Minoritätsladungsträgern entstehen. Das Problem ist besonders im blauen und im UV-Spektralbereich relevant, in dem die gesamte Strahlung in einem kleinen, oberflächennahen Bereich der Empfänger absorbiert wird.
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Aus der
WO 00/11765 A1 ist ein optischer Pulsstrecker bekannt, bei dem eine Mehrzahl an unterschiedlich langen Glasfasern dazu verwendet wird, aus einem Laserpuls einen schnell ansteigenden, schnell abfallenden, relativ langen und flachen Laserpuls zu erzeugen. Die Erfindung zielt darauf ab, 3D-Kameras zu verbessern.
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Aus der
US 2002/0136246 A1 ist eine Laservorrichtung bekannt, die eine Mehrzahl an Verzögerungsstrecken aus Lichtleitern aufweist, um einen Laserimpuls zu strecken. Eine vergleichbare Vorrichtung ist aus der
GB 2 442 754 A und der
US 4,296,319 A bekannt. Die bekannten Pulsverbreitungsvorrichtungen werden in der Herstellung von TFTs (Thin-film-transistors) in den Fällen der ersten beiden Druckschriften sowie zur Herstellung von optischen und elektrischen Impulsen eingesetzt. Das spezifische Problem der Fluoreszenz, wie es beim Kalibrieren von optischen Sensoren ein Hauptproblem darstellt, wird in den Druckschriften nicht angesprochen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kalibrierung von optischen Empfängern und den Bau von dazu geeigneten Vorrichtungen zu verbessern.
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Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren, mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 5.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass so Licht einer gewünschten Wellenlänge von einem gepulsten Laser verwendet werden kann, das in seinen Eigenschaften im Wesentlichen dem von Licht aus einem cw-Laser entspricht und dennoch die Durchstimmbarkeit eines gepulsten Lasers besitzt. Vorteilhaft ist dabei zusätzlich, dass ein Intensitätsverlauf des Lichts über der Zeit im quadratischen Mittel deutlich weniger von einem Mittelwert abweicht als bei einem gepulsten Laser.
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Zum Strecken von Laserpulsen wurden im Stand der Technik Ulbrichtkugeln verwendet. Im Vergleich zu Verfahren, die eine Ulbrichtkugel verwenden, entsteht beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Fluoreszenz. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn blaues oder UV-Licht benötigt wird. Es kann statt von Pulsverbreiterung auch von einer Pulsvervielfachung, einer Pulsglättung oder einer Pulsformung gesprochen werden.
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Vorteilhaft ist zudem, dass die verwendete optische Pulsverbreiterungsvorrichtung nur eine geringe Absorption aufweist. Auf diese Weise kann intensives Licht hergestellt werden. Das ist besonders dann vorteilhaft, wenn die optische Pulsverbreiterungsvorrichtung Teil einer Vorrichtung ist, die ohnehin einen Wellenleiter zum Leiten des Lichts aufweist. Durch die geringe Absorption kann das Ausgangssignal über der Zeit als quasi-konstant angesehen werden und erzeugt, im Gegensatz zur Verwendung einer Ulbrichtkugel, keine deutliche exponentielle Abnahme.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Spitzenleistung des austretenden Lichts deutlich kleiner ist als die des Lichts der Lichtquelle, ohne dass sich die durchschnittliche Leistung signifikant ändert. Das ist vorteilhaft beim Schutz der Augen und bei der Herabsetzung der Zerstörschwelle bei Material, Gewebe- oder Fluoreszenzuntersuchungen.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Lichtleiter insbesondere eine Glasfaser verstanden. Unter der Einkoppelvorrichtung wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, mittels der ein in die Einkoppelvorrichtung einfallender Laserstrahl auf die Lichtleiter verteilt wird. Besonders günstig ist es, wenn die Einkoppelvorrichtung so ausgestaltet ist, dass auf jeden Lichtleiter im Wesentlichen die gleiche Lichtintensität entfällt. Unter dem Merkmal, dass im Wesentlichen die gleiche Lichtintensität in die Lichtleiter eingekoppelt wird, wird insbesondere verstanden, dass es wünschenswert ist, dass in jedem der Lichtleiter genau die gleiche Lichtintensität eingekoppelt wird, dass das aber nicht notwendig ist. So ist es beispielsweise tolerierbar, dass die maximale relative Differenz der Lichtintensitäten zwischen zwei Lichtleitern bei unter 25% liegt.
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Wenn die Intensitätsverteilung (korrekter, wenn auch weniger gebräuchlich: Bestrahlungsstärkeverteilung) am Eingang der Pulsverbreiterungsvorrichtung bekannt ist, dann kann diese durch die Längenverteilung der Einzelfasern berücksichtigt werden, indem die Abstandsdifferenz zwischen dieser und der nächsten Faser angepasst wird. Das heißt: Wenn die Bestrahlungsstärke geringer als im Mittel ist, muss die nächst längere Faser einen geringeren Längenzuwachs als im Mittel haben. Der Längenzuwachs muss im Idealfall proportional zum Leistungsbeitrag am Austritt der Faser sein. Diese Leistung ist wiederum proportional zum Produkt aus Bestrahlungsstärke und Transmission der Faser. Mit anderen Worten: das Verhältnis aus Wegdifferenz zwischen der i-ten und i + 1-ten Faser und der durch die Intensitäts- und Winkelverteilung am Eingang der i-ten Faser sowie der Dicke und Transmission der i-ten Faser gegebenen Leistung am Austritt dieser i-ten Faser ist vorzugsweise konstant.
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Alternativ ist möglich, die Fasern am Eingang zufällig verteilen. So ist dafür gesorgt, dass z. B. die Randfasern, bei denen typischerweise die Bestrahlungsstärke bzw. Intensität am geringsten ist sowie die Winkelverteilung am ungünstigsten, nicht alle fast gleiche Längen haben, sondern dass dort einige kurze, einige mittlere und einige längere Einzelfasern angebracht werden.
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Unter der Auskoppelvorrichtung wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die dazu ausgebildet ist, aus den Lichtleitern austretende Teil-Laserstrahlen so auszurichten, dass sie in eine nachfolgend angeordnete Vorrichtung eingekoppelt werden können.
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Die Auskoppelvorrichtung und die Einkoppelvorrichtung sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie die Lichtleiter an einer Stelle zusammenführen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Einkoppelvorrichtung und/oder die Auskoppelvorrichtung über eine Kuppelvorrichtung zum Verbinden mit anderen Lichtleitern zum Zuführen bzw. Abführen von Laserlicht ausgestattet ist oder Freistrahl oder Einkoppelung in einen Monochromator.
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Es ist günstig, wenn die Lichtleiter aus dem gleichen Material aufgebaut sind und unterschiedliche Lichtleiterlängen haben. So können die Lichtleiter einfach hergestellt werden.
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Die optische Länge ist das Produkt aus der Brechzahl und der Länge eines Objekts. Die Verwendung von dem gleichen Material für alle Lichtleiter führt zu einer besonders leicht herstellbaren Pulsverbreiterungsvorrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform haben die Lichtleiter-Längen eine Lichtleiter-Längenverteilung, wobei die Lichtleiter-Längenverteilung eine Quadratsumme in Form der Summe der Quadrate der Abweichungen von einer Gleichverteilung hat und wobei die durch die Zahl der Lichtleiter geteilte Wurzel der Quadratsumme höchstens 0,5, insbesondere 0,1 beträgt. Bei der Lichtleiter-Längenverteilung handelt es sich um die Zuordnung einer laufenden Nummer n der nach optischer Länge sortierten Lichtleiter zu der optischen Länge. Im Idealfall sind die optischen Längen linear verteilt, das heißt, dass die Differenz der optischen Längen zweier der optischen Länge sortierter Lichtleiter konstant ist.
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Eine derartige lineare Verteilung ist anzustreben, jedoch nicht notwendig. So ist es möglich, eine Ausgleichsgerade durch die optischen Längen, insbesondere die Lichtleiter-Längen, zu legen und die quadratischen Abweichungen von dieser linearen Interpolation aufzusummieren. Die durch die Zahl der Lichtleiter geteilte Wurzel der Quadratsumme ist ein Maß für die Abweichung von einer idealen linearen Verteilung und sollte daher möglichst gering sein. Besonders günstig ist es, wenn dieser Wert unter 0,1 bzw. 0,01 liegt.
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In anderen Worten ist dann, wenn die Lichtleiter nach Ihren optischen Längen sortiert werden, die Differenz zwischen zwei benachbarten Lichtleitern idealerweise eine Gleichverteilung, so dass alle Differenzen gleichgroß sind. Es sind aber geringe Abweichungen von einem Mittelwert aller Differenzen von beispielsweise 25% möglich.
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Vorzugsweise weist die Lichtquelle eine Auskoppelvorrichtung auf, die ausgebildet ist zum Einkoppeln von Licht, das die Pulsverbreiterungsvorrichtung verlässt, in einen Lichtleiter. Besonders günstig ist es, wenn die Lichtquelle zudem eine Lichtleitfaser, beispielsweise eine Monomode-Faser umfasst, mittels der von der Lichtquelle erzeugtes Licht weggeleitet werden kann. Möglich ist auch ein Freistrahl oder ein Auskoppeln in einen Monochromator, um das Licht schmalbandiger zu machen und so die Einzelpulse zu verbreitern.
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Optional ist der Laser durchstimmbar, in einem Intervall von 2000 nm bis 230 nm. Besonders günstig ist es, wenn der Laser automatisch durchstimmbar ist, das heißt, dass die Wellenlänge von einer Steuerung vorprogrammiert zeitabhängig gesteuert oder geregelt werden kann. Eine derartige Lichtquelle gibt ein geglättetes Licht einer vorwählbaren Wellenlänge im optischen oder angrenzenden UV-Bereich ab, was beispielsweise für die Kalibrierung von optischen Sensoren besonders vorteilhaft ist.
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Vorzugsweise ist die Einkoppelvorrichtung so ausgebildet, dass in jeden Lichtleiter im Wesentlichen die gleiche Lichtintensität eingekoppelt wird. Hierunter ist zu verstehen, dass es anzustreben ist, dass in jedem Lichtleiter die gleiche Intensität eingekoppelt wird, das ist aber nicht notwendig. So sind Abweichungen tolerierbar. Beispielsweise kann die Lichtintensität, die in einen Lichtleiter eingekoppelt wird, sich um 25% von einem Mittelwert über alle Lichtleiter unterscheiden.
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Der maximale Laufzeitunterschied zwischen der kürzesten und der längsten Lichtleitfaser sollte mindestens das 0,5-fache der inversen Repetitionsrate betragen. Der mittlere Laufzeitunterschied zwischen der i-ten und der i + 1-ten Faser sollte T_Rep/N sein, um eine Gleichverteilung zu erhalten, wobei T_Rep die Repetitionszeit ist und N die Zahl der Lichtleiter. Vorzugsweise ist der Lichtleiter so ausgebildet, dass ein maximaler Laufzeitunterschied zwischen zwei Lichtleitern, in der Regel dem kürzesten und dem längsten Lichtleiter, zumindest das 0,8-fache einer inversen Repetitionsrate beträgt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine erfindungsgemäße optische Pulsverbreiterungsvorrichtung in einer erfindungsgemäßen Lichtquelle;
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2 ein Diagramm, das die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Zeit für einen Laser und eine erfindungsgemäße Lichtquelle zeigt; und
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3 eine grafische Darstellung einer Lichtleiter-Längenverteilung der Lichtleiter in einer Pulsverbreiterungsvorrichtung gemäß 1.
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1 zeigt eine Pulsverbreiterungsvorrichtung 10, die eine Vielzahl an Lichtleitern 12, nämlich die Lichtleiter 12.1, 12.2, 12.3, ... umfasst. Die Pulsverbreiterungsvorrichtung 10 weist zudem eine Einkoppelvorrichtung 14 und eine Auskoppelvorrichtung 16 auf.
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Die Lichtleiter 12 unterscheiden sich in ihren Lichtleiter-Längen L. So ist die Lichtleiter-Länge L3 des dritten Lichtleiters 12.3 größer als die Lichtleiter-Länge L2 des Lichtleiters 12.2 und diese wiederum größer als die Lichtleiter-Länge L1 des Lichtleiters 12.1. Die Lichtleiter 12 sind alle aus dem gleichen Material, nämlich Glas, gefertigt, so dass die optischen Langen Lopt jeweils proportional zu der Lichtleiter-Länge L sind und sich ebenfalls für alle Lichtleiter 12 unterscheiden.
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1 zeigt zudem einen schematisch eingezeichneten gepulsten Laser 18, der ausgebildet ist zum Abgeben von Licht 20 mit einer Repetitionsrate frep und einer Pulsdauer T. Beispielsweise liegt die Repetitionsrate oberhalb von 50 MHz. Die Pulsdauer kann beispielsweise zwischen 100 und 500 fs liegen.
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Der Laser 18 ist durchstimmbar und ist in der Lage, Licht 20 im Wellenlängenbereich zumindest im interessierenden Empfindlichkeitsbereich des Sensors abzugeben. Das Licht 20 wird durch die Einkoppelvorrichtung 14 in die Lichtleiter 12 eingekoppelt, so dass in jedem der Lichtleiter eine Lichtintensität I anliegt.
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Die Einkoppelvorrichtung 14 ist so gestaltet, dass sich die Lichtintensitäten in den einzelnen Lichtleitern 12 nur wenig unterscheiden. So ist beispielsweise die Intensität I1 im Lichtleiter 12.1 im Wesentlichen gleich der Intensität I2 im Lichtleiter 12.2. Die Intensität I in einem der Lichtleiter kann sich von einer mittleren Intensität Imittel, die durch Mittlung über alle Lichtleiter 12 erhalten wird, beispielsweise um 25% unterscheiden. In jedem Lichtleiter 12 entsteht so ein Teil-Lichtpuls, Die Teil-Lichtpulse werden von der Auskoppelvorrichtung 16 zu einem geglätteten Ausgangs-Lichtpuls vereinigt.
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2 zeigt ein Diagramm, in dem einerseits die Intensität I14, die das Licht 20 beim Eintrift in die Einkoppelvorrichtung 14 hat, und andererseits eine Intensität I16(t), die ein Ausgangs-Lichtstrahl 22 nach Verlassen der Auskoppelvorrichtung 16 hat, aufgetragen ist. Die Intensität I, die beispielsweise durch die Laserleistung angegeben werden kann, ist auf die Spitzenleistung als 1 normiert.
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Es ist zu erkennen, dass das vom Laser 18 stammende Ausgangssignal in Form des Lichts 20 eine Pulsdauer T und eine Repetitionsrate frep hat, die einer Repetitionszeit Trep entspricht. In 2 ist die Zeit t auf die Repetitionszeit Trep normiert. Zwischen zwei Pulsen ist die Intensität I in guter Nährung 0. Die Lichtintensität des Ausgangs-Lichtstrahls 22 (vgl. 1) schwankt um einen Mittelwert M.
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3 zeigt eine Verteilung der Lichtleiter-Längen L und deren Abweichung von einer linearen Verteilung beruht. Die X-Achse ist eine laufende Nummer n der Lichtleiter, die der Lichtleiter-Länge nach geordnet sind. Je größer n, desto größer ist die optische Länge Lopc bzw. im vorliegenden Fall die Lichtleiter-Länge L.
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Auf der Ordinate ist die Lichtleiter-Länge L für den jeweiligen Lichtleiter aufgetragen.
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Es ist zu erkennen, dass die Lichtleiter-Längen L der Lichtleiter eine näherungsweise lineare Verteilung haben, die durch eine Gerade g beschrieben werden kann. Für jede laufende Nummer n kann eine Abweichung d von der linearen Verteilung berechnet werden, wie dies für die laufende Nummer n = 8 gezeigt ist. Die Summe
der Summe der Quadrate mit der Abweichung von der linearen Verteilung stellt daher ein Maß dafür da, wie genau die tatsächliche Verteilung der Lichtleiter-Längen L dem Ideal der linearen Verteilung entspricht.
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Die durch die Zahl der Lichtleiter N geteilte Wurzel der Quadratsumme sei σ genannt, es gilt also
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Je kleiner σ ist, desto besser entspricht die tatsächliche Verteilung der Lichtleiter-Längen L der idealen linearen Verteilung.
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Jeder der Lichtleiter
12 bedingt gegenüber einem anderen Lichtleiter eine Laufzeitverzögerung. Das heißt, dass Licht eine längere Zeit von der Einkoppelvorrichtung
14 zur Auskoppelvorrichtung
16 (vgl.
1) benötigt, je länger der jeweilige Lichtleiter
12 ist. Der Unterschied in den Laufzeiten der Teil-Lichtimpulse in zwei Lichtleitern ist die Laufzeitdifferenz Δτ. τ
n bezeichnet die Zeit, die ein Lichtimpuls braucht, um durch den n-ten Lichtleiter
12.n zu laufen. Zwischen dem kürzesten Lichtleiter und dem längsten Lichtleiter existiert ein maximaler Laufzeitunterschied Δτ
max. Es gilt also für alle N Lichtleiter
12.1, ...,
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Ein besonders günstiger Fall ergibt sich, wenn der maximale Laufzeitunterschied Δτmax ungefähr der inversen Repetitionsrate, also Trep entspricht. In diesem Fall wird das gepulste Laserlicht besonders effizient geglättet. Beispielsweise beträgt der maximale Laufzeitunterschied zwischen zwei Lichtleitern zumindest das 0,8-fache einer inversen Repetitionsrate Trep.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine Pulsformvorrichtung zum Formen eines Lichtpulses, so dass er einen vorgegebenen Signalverlauf f(t) in einem Intervall zwischen zwei Lichtpulsen hat, wobei die Lichtpulse einen zeitlichen Abstand einer Repetitionszeit T_rep haben, mit einer Anzahl N an einzelnen Lichtleitfasern, die eine Längenverteilung l(i) haben, die jedem Laufindex i für die Lichtleitfasern die Länge l zuordnet, wobei die Längenverteilung nach dem folgenden Verfahren bestimmbar ist:
- (a) Bestimmen einer Stammfunktion F(t) in den Intervallgrenzen mit der Randbedingung, dass F(0) = 0 ist,
- (b) Normieren der Stammfunktion F(t), so dass F(T_Rep) = N ist, wobei N die Anzahl der Einzelfasern in dem Bündel ist,
- (c) aus der Umkehrfunktion t_i = F^ – 1(i) mit i = 1, ..., N ermitteln der Verzögerungszeiten, die mit den einzelnen Fasern erzielt werden müssen,
- (d) Zuordnen einer Faserlänge l_i zu jeder Verzögerungszeit t_i nach der Formel l_i = c·t_i/n, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und n die optische Brechtahl des Lichtleiters ist.
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Durch eine zusätzliche Verlängerung des gesamten Lichtleitfaserbündels lässt sich eine weitere Glättung des Ausgangs-Lichts erreichen.