DE4304685A1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine von einer Polarisationsebene unabhängige optische Trennvorrichtung, die für optische Übertragungen und Lichtmessungen (Photometrie) einsetzbar ist.

Bei optischen Trennvorrichtungen, die irgendwo in eine optische Faser oder Lichtleitfaser eingesetzt sind und auf das durch jede Polarisationsebene gehende Licht einwirken, wird derzeit zwischen zwei Typen unterschieden, wobei ein Typ eine doppeltbrechende Kristallflächenscheibe oder Quarzscheibe als Polarisator verwendet und der andere einen doppeltbrechenden Kristall- oder Quarzkeil für denselben Zweck einsetzt.

Ein ernsthafter Nachteil bei dem Typ mit einer doppeltbrechenden Kristallflächenscheibe ist jedoch, daß deren Dicke erhöht werden muß, so daß eine optische Vorrichtung zwangsweise groß wird. Der Grund liegt darin, daß das zurückkommende Licht (Rückwärtslicht) in Form eines zum ankommenden Licht (Vorwärtslicht) parallelen Lichtstrahles auftritt, so daß ein Lichtstrahl-Zwischenraum vergrößert werden muß, um zu verhindern, daß das Rückwärtslicht wieder in die optische Faser eintritt.

Der Typ, der einen doppeltbrechenden Kristallkeil verwendet, hat jedoch einen anderen ernsthaften Nachteil. Denn das Rückwärtslicht tritt in Form eines Lichtstrahles auf, der, anstatt parallel zu sein, einen Winkel zum Vorwärtslicht aufweist, so daß durch Vergrößern des Winkels des Keiles verhindert werden kann, daß das zurückkommende Licht wieder in die Faser eintritt, wobei der Lichtstrahl des zurückkommenden Lichtes mit dem Vorwärtslicht einen großen Winkel einschließt. Da jedoch das Vorwärtslicht die optische Trennvorrichtung in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt verläßt, wird für die Photometrie ein spezielles optisches System benötigt, um zwei solche Lichtstrahlen in der optischen Faser wieder zu bündeln.

Eine Aufgabe der Erfindung ist daher, eine von der Polarisationsebene unabhängige optische Trennvorrichtung zu schaffen, die eine erhöhte Trennwirkung hat, bei der jedoch Lichtverlust durch deren Einfügen stark verringert sein soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Rückwärtslicht zu einem Lichtstrahl wird, welcher einen Winkel zur Vorwärtsrichtung aufweist, anstatt zu dieser parallel zu sein, und daß das Vorwärtslicht ein einzelner Lichtstrahl ist.

Insbesondere sieht die Erfindung eine optische Trennvorrichtung vor, mit einem ersten Polarisator zum Trennen eines einfallenden Lichtstrahles in zwei Lichtstrahlen, die in der Polarisationsrichtung zu einander senkrecht und in der Ausbreitungsrichtung nicht zueinander parallel sind, einer Faradayschen 45°-Drehvorrichtung oder -Drehtisch, einem zweiten Polarisator, der bezüglich des Lichtstrahl-Trennwinkels mit dem ersten Polarisator identisch ist, jedoch bezüglich des Winkels, den die zwei getrennten Lichtstrahlen zur Polarisation der Strahlen aufweisen, um 45° abweicht, und mit mindestens einer doppeltbrechenden Kristallflächenscheibe, die zwei parallele Lichtstrahlen in einen einzelnen Strahl zusammenführen kann, wobei die Polarisationsebenen in rechten Winkeln zueinander liegen.

Vorzugsweise sieht die Erfindung eine optische Trennvorrichtung nach Bauart einer Reihen-Vorrichtung vor, die zusätzlich zu der bereits beschriebenen Trennvorrichtung eine Linse zum Lenken des aus der optischen Faser austretenden Lichtes zu einem Einlaß einer optischen Faser für die Photometrie oder Lichtmessung vor.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Polarisator Kristallkeile, Wollaston- oder Rochonprismen.

Im Folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:.

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Aufbaus und

Fig. 2 eine Seitendarstellung einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung.

Im Folgenden ist die Erfindung allgemein mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.

Das Licht tritt aus einer Lichtleitfaser oder optischen Faser 1, durch deren Austrittsöffnung aus, wird von einer Linse 2 in einen Lichtstrahl umgewandelt, der einen parallelen Strahl annähert, und tritt dann in einen ersten Polarisator 3 ein. Als Polarisator 3 kann ein Wollaston- oder Rochon-Prisma aus zwei doppeltbrechenden Kristall- oder Quarzprismen verwendet werden.

Der auf dem ersten Polarisator 3 auftreffende Lichtstrahl geht durch den ersten Polarisator 3 hindurch, von wo er sich in Form von zwei Lichtstrahlen, die einen Winkel zueinander aufweisen, ausbreitet, im Gegensatz zu parallelen Lichtstrahlen. Dieser Winkel wird hier Trennwinkel genannt und bestimmt sich durch den Prismenwinkel des den Polarisator bildenden Prismas, die Art des Kristalls und die Kristallachsen.

Die beiden Lichtstrahlen werden jeweils polarisiert, wobei die Polarisationsebenen abhängig von der Richtung der optischen Achse der das Prisma bildenden Kristalle bestimmt sind.

Beim Verlassen des ersten Polarisators 3 geht der Lichtstrahl durch eine Farradaysche 45°-Drehvorrichtung 4 und tritt in einen zweiten Polarisator 5 ein. Als zweiter Polarisator 5 kann ein Wollaston- oder Rochon-Prisma verwendet werden, so wie beim ersten Polarisator 3. Der Lichtstrahl-Trennwinkel des zweiten Polarisators 5 ist gleich dem des ersten Polarisators 3, wobei der Winkel zwischen der durch die zwei Lichtstrahlen bestimmten Ebene und deren Polarisationsebenen um 45° vom ersten Polarisator abweicht. Das durch diesen zweiten Polarisator hindurchgehende Licht wird zu zwei zueinander parallelen Lichtstrahlen.

Um den Lichtverlust durch das Einfügen zu vermindern, ist erfindungsgemäß eine doppelt brechende, ebene Kristallscheibe 6 hinter dem zweiten Polarisator angeordnet, so daß die beiden polarisierten Strahlen zu einem einzigen Lichtfaser zusammengeführt oder konvergiert werden können, indem sie durch diese ebene Scheibe hindurchgehen, der dann durch eine Linse 7 zu einer Lichtleitfaser 8 geführt wird. Dabei sei bemerkt, daß die Linse 7 nicht notwendigerweise immer die gesamte Lichtenergie der beiden parallelen Strahlen in einem vollständig einzelnen Punkt bündeln können muß.

Die beschriebene optische Trennvorrichtung arbeitet wie folgt. Wenn das die optische Faser 1 verlassende Licht von der Linse 2 in zwei annäherungsweise parallele Lichtstrahlen umgewandelt wird und in den ersten Polarisator 3 eintritt, verläßt das Licht den ersten Polarisator 3 in Form von zwei Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander sind. Die Winkel, die diese beiden Strahlen miteinander einschließen, sind dann, wenn ein Wollastonprisma verwendet wird, doppelt so groß wie die mit einer herkömmlichen Keilform eines doppeltbrechenden Kristalls erreichbaren Winkel.

Die Lichtstrahlen gehen dann durch die Farradaysche 45°- Drehvorrichtung, wobei sie bezüglich ihrer Polarisationebenen um 45° gedreht werden.

Der zweite Polarisator 5 ist bezüglich des Polarisationstrennwinkels der zwei linearen Lichtstrahlen genauso ausgebildet wie der erste Polarisator 3, wobei die Polarisationsebene um 45° gedreht ist. Um einen solchen Polarisator unter Verwendung beispielsweise eines Wollaston- Prismas herzustellen, werden die Prismenwinkel gleich groß gemacht, wobei die Kristallachse des das Prisma bildenden Kristalls bezüglich des ersten Polarisators um 45° gedreht ist.

Die Verwendung des zweiten derartigen Polarisators 5 ermöglicht, daß das durch diesen hindurchgehende Licht zwei polarisierte, zueinander parallele Lichtstrahlen hervorbringt.

Um die beiden Lichtstrahlen zu einer einzigen optischen Faser 8 zu lenken, sollte der Zwischenstrahlraum vorzugsweise so schmal wie möglich sein. Dabei ist besonders bevorzugt, daß die beiden Strahlen in Form eines einzelnen Strahles vorliegen. Um dies zu erreichen, wird eine doppeltbrechende ebene Kristallplatte oder Quarzscheibe 6 verwendet.

Um die Mittelpunkte der beiden Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen zueinander vertikal verlaufen, aufeinander abzustimmen, sollen diese durch eine doppeltbrechende ebene Kristallplatte hindurchgehen, daß heißt, eine sogenannte Savart- Platte, die deren Längen entspricht.

Wenn eine Ebene, die zwei Strahlen umfaßt, parallel zu oder senkrecht zu den Polarisationsebenen ist, muß nur eine doppeltbrechende ebene Kristallplatte verwendet werden. Wenn sie weder parallel noch senkrecht zu den Polarisationsebenen ist, werden vorzugsweise zwei doppeltbrechende ebene Kristallplatten verwendet.

Das Licht, das durch die doppeltbrechende ebene Kristall (Savart)- Platte gegangen ist und so wieder die Form eines einzelnen Strahls angenommen hat, wird durch eine Linse 7 zur optischen Faser 8 gelenkt.

Es sei bemerkt, daß eine der ersten und zweiten Linsen 2 und 7 weggelassen werden kann, wenn die andere zum Lenken des die optische Faser 1 verlassenden Lichtes zur optischen Faser 8 verwendet werden kann.

Andererseits wird das die optische Faser 8 verlassende rückläufige Licht von der doppeltbrechenden ebenen Kristallplatte 6 in zwei Lichtstrahlen umgewandelt, deren Polarisationsebenen zueinander senkrecht sind. Diese treten dann in den zweiten Polarisator 5 über dieselbe Bahn wie das einfallende Licht ein, von wo sie längs desselben Weges hindurchgehen und auf die Farradaysche 45°- Drehvorrichtung 4 auftreffen. Die Polarisationsebenen der ruckläufigen Lichtstrahlen sind dabei identisch mit denen der vorwärts gerichteten Lichtstrahlen, bis sie in die Farradaysche 45°-Drehvorrichtung 4 eintreten.

Die Polarisationsebene des die Farradaysche 45°-Drehvorrichtung 4 verlassenden Lichtes ist im Vergleich zum einfallenden Licht um 45° gedreht.

Wenn das Licht, das bezüglich des Lichtstrahlwinkels mit dem einfallenden Licht identisch ist und eine um 90° gedrehte Polarisationsebene aufweist, zum ersten Polarisator 3 zurückkommt, wird es zu zwei polarisierten Strahlen, anstelle eines einzelnen Strahles, und hat einen anderen Winkel als der einfallende Lichtstrahl. Wenn ein Wollaston-Prisma verwendet wird, ist der Winkel zwischen dem rückläufigen und dem eingestrahlten Lichtstrahl doppelt so groß wie bei Verwendung eines doppeltbrechenden Kristalls mit Keilform. Das rückläufige Licht wird also weniger leicht zur optischen Faser 1 zurückkehren als bei einem keilartigen Polarisator, so daß eine Trennvorrichtung mit einem hohen Trennungsgrad erzielt werden kann.

Wenn eine Einrichtung an einer Stelle positioniert ist, an der der rückläufige Lichtstrahl nicht in die optische Faser 1 eintritt, kann sie als eine reihenartige - von der Polarisationsebene unabhängige Trennvorrichtung verwendet werden, die irgendwo in eine optische Faser einfügbar ist.

Erfindungsgemäß ist es also möglich, die Winkel zwischen den zwei Lichtstrahlen des zurückkommenden Lichtes doppelt so groß zu machen wie bei einer optischen Trennvorrichtung mit einem keilförmig in doppeltbrechenden Kristall, wenn die Wollaston- Prismen für den ersten und den zweiten Polarisator verwendet werden. Dadurch wird es wiederum nicht nur möglich, die Trennwirkung ganz erheblich zu erhöhen, sondern auch, die optische Faser wesentlich näher am ersten Polarisator 3 anzuordnen, so daß eine bessere Kompaktheit erreicht werden kann. Zusätzlich liegt die doppelt brechende ebenen Kristallplatte 6 in der Nähe der optischen Faser 8, so daß Licht in der optischen Faser 8 stärker gebündelt oder verdichtet wird, so daß der Lichtverlust aufgrund des Einfügens geringer wird.

Die Erfindung wurde hier bisher mit Bezug auf Wollaston-Prismen als erste und zweite Polarisatoren beschrieben, kann jedoch ebenso mit Rochon-Prismen realisiert werden.

Im Folgenden ist die Erfindung mit weiteren Einzelheiten in Bezug auf ihre speziellere Ausführungsform von Fig. 2 beschrieben.

Der erste Polarisator 3 besteht aus einem Rutil-Wollaston-Prisma von 1 mm Dicke. Der prismenwinkel beträgt 4°. Die Brechungsindezes von Rutil sind 2,451 für No und 2,709 für Ne, gemessen bei der Wellenlänge von 1,53 µm. Das obere Blockdiagramm zeigt die Richtung der c-Achse der Kristallachsen. Wie am besten aus diesem Diagramm ersichtlich ist, sind die Richtungen der c-Achse des Wollaston-Prismas +45° und -45°, entsprechend Bezugszeichen 9 und 10, gesehen von der lichtempfangenden Seite. Die hier eingesetzte Farradaysche 45°-Drehvorrichtung 4 besteht aus einer Substanz mit einem Brechungsindex N von 2,25 und einer Dicke von 2,8 mm. Der erste Polarisator 3 ist 0,1 mm von der Farradayschen 45°-Drehvorrichtung 4 entfernt, welche wiederrum 0,1 mm vom zweiten Polarisator 5 entfernt ist. Der zweite Polarisator besteht aus einem Rutil-Wollaston-Prisma mit einem Prismenwinkel von 4°. Wie unter Bezugszeichen 11 und 12 gezeigt, ist die Richtung der c- Achse des Wollastonprismas 0° bzw. 90°.

Wenn Licht in die optische Trennvorrichtung mit einem derartigen Aufbau eintritt und den zweiten Polarisator 5 verläßt, erscheinen zwei Lichtstrahlen, die 0,066 mm voneinander entfernt und senkrecht zueinander polarisiert sind. Diese beiden Lichtstrahlen gehen durch die doppeltbrechende ebene Kristallplatte 6 aus Rutil hindurch, welche sie in Form eines einzelnen Strahles verlassen. Dies wird dadurch erreicht, daß die ebene Platte 6 so angeordnet ist, daß die Richtung der c-Achse des Rutils einen Winkel von 48° mit dieser einschließt, und daß die Platte eine Dicke von 0,66 mm aufweist. Der einzelne Strahl kann durch die Linse 7 wirksam in der optischen Faser 8 gebündelt werden, so daß die Trennvorrichtung einen erheblich verminderten Lichtverlust aufgrund des Einbaus hat.

Nachdem das rückläufige Licht die Farradaysche Drehvorrichtung 4 verlassen hat, ist die Polarisationsebene um 45° zum Vorwärtslicht gedreht so daß das Licht beim Verlassen des ersten Polarisators 3 in Form von zwei polarisierten Lichtstrahlen erscheint, anstelle eines einzigen Strahles. Die zwischen den polarisierten Lichtstrahlen und dem einfallenden Lichtstrahlen erzeugten Winkel betragen etwa 20°.

Dies ist etwa doppelt so groß wie bei Verwendung eines keilförmigen doppeltbrechenden Kristalls als Polarisator; dadurch kann die Trennwirkung der optischen Trenneinrichtung erhöht werden. Alternativ kann die optische Faser 1 näher am Polarisator 3 angeordnet sein, so daß der gesamte Aufbau kompakter wird.

Aus obiger Beschreibung wird ersichtlich, daß die Erfindung eine optische Trennvorrichtung der Bauart vorsieht, die von einer Polarisationsebene unabhängig ist, eine kleine Baugröße, hohe Trennleistung und einen geringen Einfügeverlust hat, oder, mit anderen Worten, eine Trennvorrichtung hoher Leistungsfähigkeit schafft. Die Erfindung kann auch bei optischen Zirkulatoren eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Optische Trennvorrichtung mit einem ersten Polarisator (3) zum Trennen eines einfallenden Lichtstrahles in zwei Lichtstrahlen, die in Polarisationsrichtung zueinander senkrecht und in Ausbreitungsrichtung parallel zueinander sind, einer Farradayschen 45°-Drehvorrichtung (4), einem zweiten Polarisator (5), der bezüglich des Lichtstrahl-Trennwinkels mit dem ersten Polarisator (3) identisch ist, jedoch bezüglich des Winkels, den die beiden getrennten Lichtstrahlen zur Polarisation der Strahlen einschließen, um 45° vom ersten Polarisator abweicht, und mit mindestens einer doppelt brechenden ebenen Kristallplatte (6), mit der zwei parallele Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen rechte Winkel zueinander einschließen, zu einem einzelnen Strahl bündelbar sind.

2. Optische Trennvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Linse (2, 7) zum Lenken des aus einer optischen Faser (1) austretenden Lichtes zu einer photometrischen optischen Faser (8).

3. Optische Trennvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Polarisator (3, 5) Wollaston- oder Rochon-Prismen aufweisen.