DE19933291A1 - Apparatus for detecting optical signals or generating optical signals by modulation of optical carriers - Google Patents
Apparatus for detecting optical signals or generating optical signals by modulation of optical carriersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft weitere Varianten und Ausführungsformen der in der Pa tentanmeldung DE 198 01 469.4 (06791-98) und der Zusatzpatentanmeldung DE 199 22 782.9 (01622-99) dargestellten Vorrichtung, verschiedene Verwendun gen dieser Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Auswertung des durch die Vorrich tung erzeugten Meßsignals.The invention relates to further variants and embodiments of the Pa tent registration DE 198 01 469.4 (06791-98) and the additional patent application DE 199 22 782.9 (01622-99) shown device, various uses gene of this device and a method for evaluating the by the Vorrich tion generated measurement signal.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung Mittel zur Einstellung der Weglängendifferenz der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen auf, wodurch eine Selektion der zur Interferenz beitragenden Lichtkomponenten entsprechend ihren Kohärenzeigenschaften durchführbar ist.According to an advantageous embodiment of the invention, the device has means for setting the path length difference of the partial beams brought to interference on, thereby selecting the light components contributing to the interference is feasible according to their coherence properties.
Die dargestellten interferometrischen Vorrichtungen werden derart ausgeführt oder weitergebildet, daß die optischen Weglängen, unter denen die Teilstrahlen zur In terferenz gebracht werden, über ein durch das oder die dispersiven Elemente ein gebrachtes Maß hinaus differieren.The interferometric devices shown are implemented in this way or further developed that the optical path lengths under which the partial beams to the In are brought in via a through or the dispersive elements the degree brought differ.
Am Beispiel der in Fig. 1 gezeigten Anordnung lassen sich die Verhältnisse dar stellen wie folgt:Using the example of the arrangement shown in FIG. 1, the relationships can be represented as follows:
Die Differenz der optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen liegt zwischen 2 . d1 und 2 . d2. Eine Wegstrecke 2 . (d2 - d1) wird vom optischen Gitter für die spektrale Selektion verwendet. Die dieser Differenz entsprechende Kohä renzlänge definiert die spektrale Auflösung der Apparatur. Darüber hinaus wird nur dann ein Interferenzsignal erzeugt, wenn die einfallende Strahlung im Bereich der optischen Weglängendifferenzen zwischen 2 . d1 und 2 . d2 Kohärenzeigenschaften bzw. Autokorrelationseigenschaften zeigt.The difference in the optical path lengths of the partial beams brought to interference lies between 2. d 1 and 2. d 2 . One way 2 . (d 2 - d 1 ) is used by the optical grating for spectral selection. The coherence length corresponding to this difference defines the spectral resolution of the apparatus. In addition, an interference signal is only generated if the incident radiation in the range of the optical path length differences between 2. d 1 and 2. d 2 shows coherence properties or autocorrelation properties.
Bei einer Anwendung im Bereich der optischen Spektroskopie können auf diese Weise selektiv Linienspektren aufgenommen werden. In diesem Fall tragen nur spektral schmalbandige Komponenten der einfallenden Strahlung mit Kohärenzlän gen größer als 2 . d2 zum gemessenen Signal bei.When used in the field of optical spectroscopy, line spectra can be recorded selectively in this way. In this case, only spectrally narrow-band components of the incident radiation with coherence lengths greater than 2. d 2 to the measured signal.
Bei einer Anwendung im Bereich der optischen Datenübertragung können selektiv Träger mit Autokorrelationseigenschaften im Bereich zwischen 2 . d1, und 2 . d2 auf genommen bzw. vermessen werden. Dies ist insbesondere interessant für eine Anwendung im Bereich des Kohärenzlängen-Multiplexing.When used in the field of optical data transmission, carriers with autocorrelation properties in the range between 2. d 1 , and 2. d 2 can be recorded or measured. This is particularly interesting for an application in the field of coherence length multiplexing.
Für beide Anwendungsbereiche besteht der besondere Vorteil der Anordnung dar in, daß die spektrale Auflösung (Spektroskopie) bzw. Bandbreite (Datenübertra gung) unabhängig von der zu selektierenden Linienbreite (Spektroskopie) bzw. Autokorrelationslänge (Datenübertragung) eingestellt werden kann.The arrangement has the particular advantage for both areas of application in that the spectral resolution (spectroscopy) or bandwidth (data transfer gung) regardless of the line width to be selected (spectroscopy) or Autocorrelation length (data transmission) can be set.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrich tung Mittel zur Drehung des Interferometers bzw. Mittel zur Veränderung oder Aus wahl des Einfallswinkels auf, welche eine Auswahl der aufzunehmenden oder zu modulierenden Wellenlänge ermöglichen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the device device means for rotating the interferometer or means for changing or off choice of the angle of incidence on which a selection of the to be recorded or allow modulating wavelength.
Von besonderem Vorteil für eine technische Realisierung der Anordnung kann es sein, die Abstimmung der zu detektierenden Wellenlänge durch eine Drehung des Interferometers als Ganzes bzw. durch eine geeignete Veränderung des Einfalls winkels zu erreichen. Gegebenenfalls kommt für diese Bauform das Interferometer selbst - abgesehen von den gegebenenfalls erforderlichen Mitteln zur Phasenmo dulation - ohne bewegliche Elemente aus.It can be particularly advantageous for a technical implementation of the arrangement be the tuning of the wavelength to be detected by rotating the Interferometers as a whole or by an appropriate change in the incidence to reach angles. The interferometer may come for this design itself - apart from the necessary means for the phase mo dulation - without moving elements.
In diesem Fall können die Komponenten des Interferometers gegeneinander fixiert werden, was sich vorteilhaft auf die Stabilität der Justierung auswirkt. Vorausset zung für die Wellenlängenabstimmung über den Einfallswinkel ist, daß der Winkel, unter dem die Teilstrahlen im Interferometer überlagert werden, eine geeignete Ab hängigkeit vom Einfallswinkel zeigt. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn die Teilstrah len spiegelbildlich überlagert werden, d. h. die Teilstrahlen müssen in einem diesbe züglich asymmetrischen Interferometer über eine jeweils um 1 verschiedene Anzahl von Spiegeln geführt werden.In this case, the components of the interferometer can be fixed against each other become, which has an advantageous effect on the stability of the adjustment. Prerequisite for the wavelength adjustment via the angle of incidence is that the angle a suitable Ab under which the partial beams are superimposed in the interferometer shows dependence on the angle of incidence. This is e.g. B. the case when the partial beam len are superimposed in mirror image, d. H. The partial beams must be in one with regard to asymmetrical interferometers over a number different by 1 be led by mirrors.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann diese Situa tion bei symmetrischen Interferometern durch Einsatz eines Retroreflektors erreicht werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, this situation can tion with symmetrical interferometers achieved by using a retroreflector become.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Verände rung der relativen Phasenlage der interferierenden Teilstrahlen und die Verände rung des Winkels, unter denen die Teilstrahlen interferieren, gemeinsam durch Be wegung mindestens eines Bauelements der Vorrichtung erfolgt.A further advantageous embodiment of the invention provides that the changes tion of the relative phase position of the interfering partial beams and the changes tion of the angle at which the partial beams interfere, together by Be movement of at least one component of the device.
Die Einstellung einer bestimmten Wellenlänge erfolgt z. B. durch eine geeignete Verkippung optischer Elemente der Apparatur so, daß die Teilstrahlen für genau diese Wellenlänge parallel auf den Detektor treffen. Die eigentliche Messung erfolgt dann durch Veränderung der relativen Phasenlage der Teilstrahlen und Nachweis der resultierenden Intensitätsänderung (heterodyne Detektion). In erster Näherung ist die Nachweisbedingung, daß die räumliche Periode des Interferenzmusters grö ßer als die Detektorfläche wird. Diese Bedingung definiert die spektrale Linienbrei te. Sind die optischen Weglängen der Teilstrahlen ungleich und/oder führt die Ver kippung der optischen Elemente zu einer Veränderung der Differenz der optischen Weglängen der Teilstrahlen, dann ändert sich bei der Einstellung der Wellenlänge auch die relative Phasenlage des Interferenzmusters. Wenn die Änderung der Pha senlage über einen Bereich in der Größenordnung der Linienbreite mehrere Peri oden umfasst, kann dieser Effekt unmittelbar zur Detektion genutzt werden. Dies ist für eine technische Ausführung besonders vorteilhaft, da ein separater Mechanis mus für die Modulation der Phasenlage dann entfallen kann.The setting of a certain wavelength is done e.g. B. by a suitable Tilting of optical elements of the apparatus so that the partial beams are accurate this wavelength hit the detector in parallel. The actual measurement takes place then by changing the relative phase position of the partial beams and detection the resulting change in intensity (heterodyne detection). In first proximity is the proof condition that the spatial period of the interference pattern is larger becomes larger than the detector area. This condition defines the spectral line width te. Are the optical path lengths of the partial beams unequal and / or does the Ver tilting of the optical elements to change the difference of the optical Path lengths of the partial beams, then changes when the wavelength is set also the relative phase position of the interference pattern. If the change in Pha over a range of the order of the line width several peri ode, this effect can be used directly for detection. This is Particularly advantageous for a technical version, as a separate mechanism mus for the modulation of the phase position can then be omitted.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Bauform des Interferometers, welche die spektrale Selektion und die Modulation der relativen Phasenlage durch eine gemeinsame Bewegung erlaubt. Die Drehung eines der optischen Elemente um einen Stützpunkt P außerhalb des Strahlengangs bewirkt neben der Veränderung des Winkels und damit der Einstellung der selektierten Wellenlänge gleichzeitig eine Veränderung der optischen Weglänge und damit eine Modulation der relativen Phasenlage. Fig. 2 shows an example of a design of the interferometer, which allows the spectral selection and the modulation of the relative phase position by a common movement. The rotation of one of the optical elements around a support point P outside the beam path causes not only the change in the angle and thus the setting of the selected wavelength, but also a change in the optical path length and thus a modulation of the relative phase position.
Es ist von Vorteil, die oben beschriebene Vorrichtung für die optischen Spektrosko pie zu verwenden, wobei entsprechend der jeweils eingestellten Weglängendiffe renz der interferierenden Teilstrahlen Komponenten des einfallenden Lichts ent sprechend ihren Kohärenzlängen bzw. Kohärenzeigenschaften selektiv gemessen werden.It is advantageous to use the optical spectroscope device described above pie to use, according to the set path length differences limit of the interfering partial beams ent components of the incident light selectively measured according to their coherence lengths or coherence properties become.
Dies kann insbesondere in der Spektroskopie bei der Aufnahme von Liniensprek tren vorteilhaft sein. Etwa bei der Atom-Absorptions- oder Atom-Emmissions- Spektroskopie zeigt sich das gesuchte Signal in Form spektraler Linien vor einem breitbandigen Hintergrund-Spektrum. Die spektralen Linien zeigen eine große Ko härenzlänge (<< 1 cm), während der breitbandige Hintergrund eine kleine Kohä renzlänge besitzt (<< 1 cm). Eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der die Diffe renz der optischen Weglängen ca. 1 cm beträgt, detektiert in diesem Fall au schließlich die Atom-Absorptions- bzw. Emissionslinien, während das Hintergrund signal mit kürzerer Kohärenzlänge nicht zur Interferenz und damit nicht zum Signal beiträgt.This can be particularly true in spectroscopy when recording line spectra tren be advantageous. For example in the case of atomic absorption or atomic emission Spectroscopy shows the signal in the form of spectral lines in front of you broadband background spectrum. The spectral lines show a large Ko length of hair (<< 1 cm), while the broadband background has a small cohesion border length (<< 1 cm). An arrangement according to the invention, in which the differences limit of the optical path lengths is approx. 1 cm, in this case also detects finally the atomic absorption or emission lines, while the background signal with a shorter coherence length does not result in interference and therefore not in the signal contributes.
Es ist von Vorteil, die oben beschriebene Vorrichtung im Bereich der optischen Datenübertragung zu verwenden, wobei entsprechend der jeweils eingestellten Weglängendifferenz der interferierenden Teilstrahlen Komponenten des einfallen den Lichts entsprechend ihren Autokorrelationseigenschaften selektiv aufgenom men werden.It is advantageous to use the device described above in the field of optical Use data transmission, according to the respectively set Path length difference of the interfering partial beams components of the incident the light selectively according to their autocorrelation properties men.
Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung im Bereich der optischen Datenverarbeitung kann besonders vorteilhaft sein, wenn das Kohärenz- Multiplexing-Verfahren zur Erhöhung der Übertragungskapazität eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren werden mehrere Signale bei der gleichen Wellenlänge da durch übertragen, daß die Autokorrelationseigenschaften des Trägers gezielt ver ändert werden.Use of the arrangement according to the invention in the field of optical Data processing can be particularly advantageous if the coherence Multiplexing method is used to increase the transmission capacity. With this method, multiple signals are present at the same wavelength by transferring that the autocorrelation properties of the wearer ver be changed.
Dies geschieht etwa dadurch, das der optische Träger senderseitig zeitversetzt mit sich selbst überlagert wird. Dies führt zu einer Autokorrelation des Trägers bei der entsprechenden zeitlichen Versetzung, durch deren Modulation ein Signal übertra gen werden kann. Bei verschiedenen Autokorrelationszeiten können unabhängig voneinander verschiedene Signale übertragen werden. Im Frequenzraum drücken sich die Autokorrelationseigenschaften, d. h. die Kohärenzeigenschaften für ganz bestimmte Differenzen der optischen Weglängen der Teilstrahlen, durch eine spek trale Feinstruktur des optischen Trägers aus.This happens, for example, in that the optical carrier is offset in time with the transmitter is superimposed on itself. This leads to an autocorrelation of the wearer in the corresponding time offset, by modulating a signal transmitted can be gen. With different autocorrelation times can be independent signals different from each other are transmitted. Press in the frequency domain the autocorrelation properties, d. H. the coherence properties for whole certain differences in the optical path lengths of the partial beams, by a spec tral fine structure of the optical carrier.
Die bisher beschriebene Vorrichtung ist besonders gut als Empfänger für ein kom biniertes Wellenlängen- und Kohärenz-Multiplexing-Verfahren geeignet, da zum einen Wellenlänge und Autokorrelationszeit unabhängig voneinander eingestellt werden können, zum anderen durch geeignete Dimensionierung der dispersiven Elemente und der Differenzen der optischen Weglängen die zu erfassende Band breite der Träger, der spektrale Kanalabstand und der Kanalbastand bzgl. Autokor relationszeiten den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden können.The device described so far is particularly good as a receiver for a com Binary wavelength and coherence multiplexing method suitable because set a wavelength and autocorrelation time independently on the other hand by suitable dimensioning of the dispersive Elements and the differences in the optical path lengths of the band to be detected width of the beam, the spectral channel spacing and the channel band with respect to Autokor relations times can be adapted to the respective requirements.
Es ist von Vorteil, die oben beschriebene Vorrichtung zur Modulation von einfallen dem breitbandigen Licht zu verwenden, wobei mindestens einer spektralen Kom ponente des Lichts vordefinierte Kohärenzeigenschaften bzw. Autokorrelationsei genschaften aufgeprägt werden.It is advantageous to come up with the above-described modulation device to use the broadband light, with at least one spectral com component of light predefined coherence properties or autocorrelation egg properties are imprinted.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders gut als Modulator für ein kombi niertes Wellenlängen- und Kohärenz-Multiplexing-Verfahren geeignet, da zum ei nen Wellenlänge und Autokorrelationszeit unabhängig voneinander eingestellt wer den können, zum anderen durch geeignete Dimensionierung der dispersiven Ele mente und der Differenzen der optischen Weglängen die zu erfassende Bandbreite der Träger, der spektrale Kanalabstand und der Kanalabstand bzgl. der Autokorre lationszeiten den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden können.The device according to the invention is particularly good as a modulator for a combi nierte wavelength and coherence multiplexing method suitable, since ei NEN wavelength and autocorrelation time independently that can, on the other hand, by suitable dimensioning of the dispersive elements elements and the differences in the optical path lengths the bandwidth to be recorded the carrier, the spectral channel spacing and the channel spacing with respect to the auto correction lation times can be adapted to the respective requirements.
Es ist von Vorteil, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion mindestens ei ner spektralen Komponente des einfallenden Lichts zu verwenden, welche vordefi nierte Kohärenzeigenschaften bzw. Autokorrelationseigenschaften aufweist.It is advantageous to use the inventive device for detection at least one egg ner spectral component of the incident light to use, which predefi has coherent properties or autocorrelation properties.
Die Anordnung ist allgemein geeignet zum Nachweis bzw. zur Messung von Licht mit definierten Autokorrelationseigenschaften, d. h. zur selektiven Erfassung von Licht, das nicht nur durch einen bestimmten Wellenlängenbereich, sondern auch durch eine als spektrale Signatur dienende spektrale Feinstruktur gekennzeichnet ist. Dieses Verfahren kann Anwendung finden im Rahmen verschiedenster Meß verfahren, die auch bei Anwesenheit von Fremdlicht störungsfrei arbeiten sollen.The arrangement is generally suitable for detecting or measuring light with defined autocorrelation properties, d. H. for the selective acquisition of Light that not only passes through a certain wavelength range, but also characterized by a spectral fine structure serving as a spectral signature is. This method can be used in a wide variety of measurements procedures that should work without interference even in the presence of extraneous light.
Vorteilhafterweise wird das optische Spektrum von Licht, welches auf eine erfin dungsgemäße Vorrichtung einfällt, nach einem Verfahren bestimmt, welches fol gende Schritte umfaßt: Zunächst wird die am Detektor gemessene Lichtintensität für verschiedene relative Phasenlagen der interferierenden Teilstrahlen und/oder für verschiedene Winkel, unter denen die Teilstrahlen interferieren, erfaßt. In einem weiteren Schritt wird das optische Spektrum aus den im ersten Schritt gemessenen Lichtintensitäten berechnet.Advantageously, the optical spectrum of light, which is invented device according to the invention occurs, determined by a method, which fol steps: First, the light intensity measured at the detector for different relative phase positions of the interfering partial beams and / or for different angles at which the partial beams interfere. In one Another step is the optical spectrum from those measured in the first step Light intensities calculated.
Die Aufnahme von Meßwerten bei verschiedenen relativen Phasenlagen ggf. über einen Bereich optischer Weglängendifferenzen von einem vielfachen der Wellen länge, erlaubt es, die spektrale Auflösung der Apparatur durch numerische Verfah ren (etwa Dekonvolution) zu erhöhen. Da Meßwerte mit einer spektralen Schritt weite auch sehr viel kleiner als der Halbwertsbreite der spektralen Transferfunktion aufgenommen werden können und die Phasenmodulation einen zusätzlichen Frei heitsgrad für die Aufnahme von Meßwerten darstellt, kann das optische Spektrum bzw. die Intensität des einfallenden Lichtes für eine bestimmte Wellenlänge mit Hilfe von Integraltransformationen jeweils unter Verwendung einer Vielzahl von Meßwerten berechnet werden. Eine derartige numerische Bearbeitung der aufge nommenen Meßwerte zur Berechnung des optischen Spektrums wirkt sich günstig aus auf die erreichbare spektrale Auflösung, die Empfindlichkeit und den Si gnal/Rausch-Abstand.The recording of measured values at different relative phase positions, if necessary, via a range of optical path length differences from a multiple of the waves length allows the spectral resolution of the apparatus to be determined by numerical methods ren (such as deconvolution). Because measurements with a spectral step also very much smaller than the half-value width of the spectral transfer function can be added and the phase modulation an additional free represents the degree of recording the measured values, the optical spectrum or the intensity of the incident light for a certain wavelength Using integral transformations using a variety of Measured values can be calculated. Such a numerical processing of the Measured values taken to calculate the optical spectrum has a favorable effect out on the achievable spectral resolution, the sensitivity and the Si signal / noise ratio.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für das gemessene Signal einer schmalbandigen Licht quelle in Abhängigkeit vom Winkel ϕ. Fig. 3 shows an example of the measured signal of a narrowband light source depending on the angle ϕ.
Das Signal setzt sich zusammen aus einer durch die winkelabhängige, kontinuierli che Veränderung der relativen Phasenlage verursachte Modulation der gemesse nen Intensität sowie einer winkelabhängigen Amplitude, d. h. Hüllkurve dieser Mo dulation.The signal is composed of a through the angle-dependent, continuous che change of the relative phase position caused modulation of the measured NEN intensity and an angle-dependent amplitude, d. H. Envelope of this mo dulation.
Die Hüllkurve entspricht einer spektralen Transferfunktion der Apparatur. Für das gezeigte Signal einer monochromatischen Lichtquelle kann die jeweilige Winkelpo sition des Maximums der Hüllkurve direkt einer Wellenlänge zugeordnet werden.The envelope curve corresponds to a spectral transfer function of the apparatus. For the shown signal of a monochromatic light source can the respective Winkelpo sition of the maximum of the envelope can be assigned directly to a wavelength.
Die genaue Form der Transferfunktion hängt von der Qualität der verwendeten op tischen Komponenten ab. Es kann technisch vorteilhaft sein, die spektralen Trans ferfunktionen einer konkreten Apparatur durch Messung zu ermitteln. Ein Satz der artiger Transferfunktionen repräsentiert damit gleichzeitig eine Eichmessung der Anordnung.The exact form of the transfer function depends on the quality of the op used table components. It can be technically advantageous to use the spectral trans to determine the fer functions of a specific apparatus by measurement. A sentence of like transfer functions thus represents a calibration measurement of the Arrangement.
Claims (11)
- a) Erfassen der am Detektor gemessenen Lichtintensität für verschiedene relative Phasenlagen der interferierenden Teilstrahlen und/oder für ver schiedene Winkel, unter welchen die Teilstrahlen interferieren;
- b) Berechnen des optischen Spektrums aus den in Schritt a) gemessenen Lichtintensitäten.
- a) detecting the light intensity measured at the detector for different relative phase positions of the interfering partial beams and / or for different angles at which the partial beams interfere;
- b) Calculating the optical spectrum from the light intensities measured in step a).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AF | Is addition to no. |
Ref country code: DE Ref document number: 19801469 Format of ref document f/p: P |
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| AF | Is addition to no. |
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