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DE102007027301A1 - Verfahren und mikrotechnische Vorrichtung zur hochaufgelösten Messung der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Verfahren und mikrotechnische Vorrichtung zur hochaufgelösten Messung der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung Download PDF

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DE102007027301A1
DE102007027301A1 DE200710027301 DE102007027301A DE102007027301A1 DE 102007027301 A1 DE102007027301 A1 DE 102007027301A1 DE 200710027301 DE200710027301 DE 200710027301 DE 102007027301 A DE102007027301 A DE 102007027301A DE 102007027301 A1 DE102007027301 A1 DE 102007027301A1
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Abstract

Mikrotechnische Vorrichtungen zur hochauflösenden Messung der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung im Bereich der optischen Wellenlängen besitzen entweder kein hohes Auflösungsvermögen (Mikrospektrometer) oder sie sind kostspielig (arrayed waveguide devices) oder können die Strahlung nur zeitlich sequenziell untersuchen (Fabry-Perot-Resonatoren). Die neue Vorrichtung ist einfach herzustellen, ist hochauflösend, leicht an die Messaufgabe anzupassen und geeignet zur Bestimmung der Wellenlänge auch gepulster Strahlung. Das Verfahren besteht darin, dass ein Feld von Mikroresonatoren mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen der zu messenden Strahlung ausgesetzt wird und das dadurch entstehende Leuchtmuster zur Bestimmung der Wellenlänge ausgewertet wird. Eine dazu geeignete Vorrichtung besteht aus einem Feld von Mikroresonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Je nachdem wie genau die Wellenlänge des Lichtes der Wellenlänge einer Resonanz entspricht, leuchten die Resonatoren stark oder weniger stark. Dadurch erzeugt jede Wellenlänge ein charakteristisches Leuchtmuster am Resonatorfeld. Das Leuchtmuster, das bei Beleuchtung mit der unbekannten Strahlung entsteht, wird mit einem geeigneten Sensor, z. B. einer CCD-Kamera, aufgezeichnet und mit den Mustern einer Bibliothek, die durch Eichmessungen erzeugt wurde, verglichen. Das Muster aus der Bibliothek, das die größte Übereinstimmung mit der Messung hat, dient zur Bestimmung der Wellenlänge. Das Verfahren eignet ...

Description

  • Stand der Technik
  • Zur optischen Spektroskopie werden schon seit Jahrzehnten unterschiedliche Verfahren erfolgreich eingesetzt. Die physikalischen Grundlagen für die drei wichtigsten Methoden sind:
    • • Die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex transparenter Materialien.
    • • Die Wellenlängenabhängigkeit des Reflexionswinkels von Reflektoren mit periodischer Änderung des Reflexionsgrades.
    • • Mehrfachinterferenz an Spiegelschichten.
  • Die entsprechenden Geräte sind als Prismenspektrograph, Gitterspektrograph und Fabry-Perot Resonator allgemein bekannt und werden in den unterschiedlichsten Ausführungen von einer Reihe von Firmen kommerziell angeboten. Spektrographen bieten z. B. die Firmen Jobin-Ivon, Tristan Spectrometer, Ocean Optics, Oriel, Renishaw, Perkin-Elmer, Bruker Optics, Kaiser Optical System Inc., Digilab etc an. Fabry-Perot Spektrometer werden z. B. von TecOptics, Thorlabs, IC Optical Systems etc. hergestellt oder vertrieben. Diese Geräte werden teilweise auch als Miniaturgeräte auf den Markt gebracht (Polytec, Eureca, Micron Optics). Ein weiteres Verfahren zur optischen Spektroskopie wird in den arrayed waveguide devices (AWD) verwirklicht. Dies sind lichtleitende Faserbündel, bei denen die Faserlängen so aufeinander abgestimmt sind, dass das Licht beim Austritt aus dem Faserbündel richtungsabhängig bei unterschiedlichen Wellenlängen konstruktiv oder destruktiv interferiert. Auch solche Geräte werden kommerziell angeboten, z. B. von Photeon Technologies.
  • In diesem Patent wird ein neues Verfahren beschrieben, dass bei sehr kleinen Abmessungen (im Bereich weniger Millimeter) die Wellenlänge von elektromagnetischer Strahlung mit sehr hoher Auflösung, vergleichbar zu den großen Fabry-Perot Resonatoren (FPR) oder den AWD's, zu bestimmen gestattet. Das Auflösungsvermögen von Miniaturspektrometer ist deutlich geringer als das des hier beschriebenen Verfahrens. Das hier beschriebene Verfahren in seinen unterschiedlichen Ausführungsformen eignet sich vorzugsweise für den Einsatz im Wellenlängenbereich des Lichtes und den daran angrenzenden Bereichen. Im Gegensatz zu den Scanning Fabry-Perot Instrumenten besitzt es keine beweglichen Teile, der Einsatz hochreflektierender Spiegel und die damit verbundenen Justierprobleme entfallen. Das Licht wird nicht sequenziell analysiert, sondern alle Wellenlängen im Einsatzbereich des Instrumentes werden gleichzeitig analysiert. Der hier beschriebenen Microresonatorarray im Folgenden kurz als MRA bezeichnet eignet sich daher auch zur Analyse von gepulster Strahlung. Im Vergleich zu den AWD ist der MRA sehr viel einfacher aufgebaut und billiger herzustellen. Eine Übersicht über die Wirkmechanismen und Leistungsfähigkeit der bisher beschriebenen miniatur-spektrometrischen Vorrichtungen findet sich bei Wolffenbuttel [1].
  • Verglichen mit den Miniatur FPR benötigt das hier beschriebene Verfahren weder hochreflektierende Spiegel noch deren sorgfältige Justierung. Im Gegensatz zum Scanning-FPR erfolgt die Analyse der verschiedenen Wellenlängen zeitgleich und nicht sequenziell. Es eignet sich daher auch für die Wellenlängenmessung gepulster Strahlung. Der Unterschied zu den AWD besteht vor allem in seiner wesentlich einfacheren Bauart und damit der Möglichkeit Geräte, die nach dem hier beschriebenen Verfahren arbeiten, viel kostengünstiger auf den Markt zu bringen. Im Übrigen basiert ein MRA auf einem völlig anderen Funktionsprinzip wie die AWD.
  • Beschreibung des Verfahrens
  • In einem Material mit geschlossener Oberfläche, vorzugsweise einer Kugel, dessen Brechungsindex großer als der Brechungsindex des Umgebungsmediums ist, vorzugsweise Luft, kann elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Strahlung im Bereich optischer Wellenlängen und den daran angrenzenden Gebieten, durch Totalreflexion an der Grenzfläche mit sehr geringen Verlusten umlaufen, wenn die Absorption im Material gering und der Krümmungsradius deutlich größer als die Wellenlänge der Strahlung ist. Sind die geometrischen Dimensionen, der Brechungsindex und die Wellenlänge so, dass nach jedem Umlauf die elektromagnetische Strahlung sich phasenrichtig überlagert, so spricht man von einer optischen Resonanz. Im englischen Sprachraum werden die dazugehörigen Eigenmoden auch WDM (morphology dependent modes) oder WGM (whispering gallery modes) genannt. Zu diesem Phänomen gibt es inzwischen eine umfangreiche Literatur. Umfassendere Darstellungen finden sich u. a. bei Ilchenko und Matsko [2] und Matsko und Ilchenko [3]. Im folgenden werden jene Strukturen in denen nach der oben gegebenen Beschreibung Resonanzen elektromagnetischer Strahlung auftreten als Resonatoren bezeichnet und die Betrachtungen beschränken sich auf das Gebiet der optischen Strahlen und den daran angrenzenden Gebieten der Ultraviolett- bzw. Infrarotstrahlung. Im Resonanzfall kann die im Resonator gespeicherte Strahlungsenergie um viele Größenordnungen größer als im nichtresonanten Fall sein. Im Resonanzfall ist auch die elastische Streustrahlung, also die frequenzgleiche Streustrahlung gegenüber dem nichtresonanten Fall erhöht, im Falle der inelastischen Streustrahlung (Ramanstreuung oder Fluoreszenz) ist der Anstieg der Streustrahlung gegenüber dem nichtresonanten Fall noch ausgeprägter. Die Güte dieser Resonatoren kann Werte von Q = 109 erreichen, entsprechend schmal sind die Resonanzbreiten. Dies bedeutet, dass kleine Änderungen der Wellenlänge die Anregung bzw. Nichtanregung einer Resonanz verursachen. Auf diesem Sachverhalt beruht die in diesem Patent beschriebene Methode der hochaufgelösten Wellenlängenmessung.
  • Eine Vorrichtung zur Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens besteht vorzugsweise aus einem Substrat (4) mit Streifenlichtleiter (3), einer darauf platzierten Resonatorzeile (2) oder einem Resonatorarray (5), sowie einer Detektorzeile bzw. einem Detektorarray (13). Diesem Substrat wird das zu analysierende Licht – wie in den 4–6 und 8–11 dargestellt, vorzugsweise mit einer Lichtleitfaser (1) zugeführt. An Stelle der Lichtleitfaser und dem Substrat mit Streifenlichtleiter kann entsprechend der 7 auch ein Hohlfaserlichtleiter verwendet werde. Das zu analysierende Licht wird so in den Streifenlichtleiter (3) bzw. die Hohlfaser (9), (10), (11) eingekoppelt, dass an seinen Außenseiten bzw. der Innenseite der Hohlfaser ein evaneszentes Feld entsteht. In diesem evaneszenten Feld werden die Resonatoren platziert. Die Resonatoren sind vorzugsweise kugelförmig bzw. nahezu kugelförmig und bestehen vorzugsweise aus Glas, Quarzglas oder transparentem Kunststoff und besitzen im Wellenlängenbereich, in dem sie zur Frequenzanalyse eingesetzt werden, eine sehr geringe Absorption und geringe Streuverluste. Ihr Durchmesser liegt vorzugsweise im Bereich von einigen bis einigen hundert Mikrometern und richtet sich nach dem Anwendungsfall. Eine Detektorzeile oder ein Detektorarray wird so angeordnet, dass jedes Detektorelement vorzugsweise nur von einem Resonator beleuchtet wird. Dies kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass die Detektoren sehr nahe an den Resonatoren montiert werden (8). Zur Vermeidung von Übersprechen, also dass ein Detektorelement von mehreren Resonatoren beleuchtet wird, kann eine Lochmaske (14) eingesetzt werden, 9. Diese Lochmaske kann auch durch eine Bildleiterplatte ersetzt werden. Auch abbildende Systeme können eingesetzt werden. In der 10 und 11 sind Anordnungen skizziert, bei denen mit einem geeigneten optischen System (15) bzw. (16) das Resonatorfeld (5) auf das Detektorfeld (13) so abgebildet wird, dass jedes Detektorelement jeweils nur von einem Resonator beleuchtet wird. Dieser Zweck kann vorzugsweise durch Verwendung eines Mikrolinsenarrays (16) oder einer konventionellen Optik (15) erreicht werden.
  • Alle Resonatoren unterscheiden sich herstellungsbedingt aber auch gewollt in ihren Resonanzfrequenzen. Enthält das zu analysierende Licht eine Frequenz, die einer Resonanzfrequenz eines oder mehrer Resonatoren entspricht, so werden diese zum Leuchten angeregt. Jede Frequenz im zu analysierenden Licht erzeugt auf diese Weise ein charakteristisches Leuchtmuster in der Resonatorzeile (2) bzw. im Resonatorarray (5). Dieses Leuchtmuster wird von der Detektorzeile bzw. dem Detektorarray (13) detektiert, in ein entsprechendes elektronisches Signalmuster umgesetzt und zur Auswertung einem PC oder Mikrorechnung zugeführt. In diesem wird das gemessene Muster mit einem durch Eichung gewonnenen Datensatz verglichen. Bei der Eichung wird der Sensor mit Licht bekannter Frequenz beleuchtet und das entsprechende Leuchtmuster der Resonatorzeile (2) bzw. des Resonatorarrays (5) elektronisch aufgezeichnet und zusammen mit der Frequenz in der Eichbibliothek abgespeichert. Bei der Messung wird das bei der Messung gewonnen Leuchtmuster mit dem bei der Eichung gewonnenen Datensätzen verglichen und das mit der größten Übereinstimmung ermittelt. Die diesem zugeordnete, in der Bibliothek abgespeicherte Wellenlänge entspricht der Wellenlänge der Messung. Das Auswerteverfahren umfasst auch Interpolationsalgorithmen. Die Genauigkeit bzw. Selektivität der Messmethode hängt u. a. von der Zahl der eingesetzten Resonatoren ab und kann leicht an die jeweils geforderten Werte angepasst werden. Auch der Einsatz fluoreszierender Resonatoren kann von Vorteil sein. Das durch Fluoreszenz angeregte Licht ist proportional zum Feld im Resonatorinneren. Das Fluoreszenzlicht kann daher deutlich größere Werte erreichen, als das frequenzgleich mit der zu untersuchenden Strahlung von den Resonatoren abgestrahlte Licht. Darüber hinaus ist durch entsprechende Wahl des Fluoreszenzbereiches eine Anpassung an die Empfindlichkeit des Detektors möglich. Schließlich kann durch Wahl der Substanz mit dem die Resonatoren dotiert werden, damit sie fluoreszieren, der Sensor selektiv empfindlich für einen bestimmten Wellenlängenbereich gemacht werden, nämlich jenem bei dem die Dotierungssubstanz absorbiert.
  • Literatur
    • 1. R. F. Wolffenbuttel, "State-of-the-art in integrated optical microspectrometers," IEEE Transactions an Instrumentation and Measurement 53(1), 197–202 (2004).
    • 2. V. S. Ilchenko and A. B. Matsko, "Optical resonators with whispering-gallery modes – Part II: Applications," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 12(1), 15–32 (2006).
    • 3. A. B. Matsko and V. S. Ilchenko, "Optical resonators with whispering-gallery modes – Part I: Basics," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 12(1), 3–14 (2006).
    • 1
    Lichtleitfaser
    2
    Resonatorzeile
    3
    Streifenlichtleiter
    4
    Substrat
    5
    Resonatorarray
    6
    Umlenkeinheit
    7
    Aufweitungsoptik
    8
    Lichtstrahl
    9
    Hohlleiter-Core
    10
    Hohlleiter-Cladding
    11
    Hohlleiter-Coating
    12
    Lichtstrahl vom Resonator
    13
    Detektor-Reihe oder Detektorarray
    14
    Lochmaske, Bildleiterplatte
    15
    Abbildungsoptik
    16
    Mikrolinsenreihe oder -array
    17
    Resonator, Resonatorzeile
    18
    Lichtleiterbeschichtung, Luftspalt
    18a
    Lichtleiterbeschichtung
    18b
    Luftspalt
    19
    Deckglas
    20
    Führungssteg
    21
    Fixiersteg

Claims (18)

  1. Vorrichtung zur Frequenzmessung elektromagnetischer Strahlung vorzugsweise im Frequenzbereich optischer Strahlung und den daran angrenzenden Bereichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung einer Anzahl von Resonatoren zugefügt wird, deren Resonanzeigenschaften sich unterscheiden. Resonatoren, deren Resonanzen im Frequenzbereich dieser Strahlung liegen werden zum Leuchten anregen. Dadurch entsteht im Feld der Resonatoren ein spezielles Leuchtmuster, das jeweils charakteristisch ist für einen bestimmten Frequenzbereich. Durch Vergleich des gemessenen Musters mit aus Eichmessungen gewonnen Muster, wird die Frequenz der unbekannten Strahlung ermittelt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der 1 die Resonatoren (17) direkt auf dem Lichtwellenleiter (3) liegen, der auf oder im Substrat (4) angebracht ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich entsprechend der 1 zwischen den Resonatoren (17) und dem Lichtwellenleiter (3) eine weitere Schicht (18a) befindet, deren Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex des Lichtwellenleiters und der Resonatoren ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Resonatoren (17) und dem Lichtwellenleiter (3) entsprechend der 1 ein Spalt 18b) befindet. Dieser Spalt ist so schmal, dass zwischen Resonatoren (17) und Lichtleiter (3) ein Abstand in der Größenordnung einer Wellenlänge verbleibt. Die Resonatoren werden durch die Nut in Position gehalten.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass sich neben dem Lichtleiter entsprechend 2 ein Steg (20) befindet und die Resonatoren durch Kontakt mit diesem Steg positioniert werden können.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren durch Adhäsions-, Reibungs-, elektrische oder magnetische Kräfte zwischen Resonatoren (17) und Wellenleiter (3), Substrat (4) und/oder Führungssteg (20) fixiert werden.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass auf den Resonatoren entsprechend 2 ein Deckglas (19), das transparent für die Strahlung der Resonatoren ist, montiert wird und die Resonatoren (17) zwischen dem Deckglas (19) und dem Substrat (4), bzw. Lichtwellenleiter (3) fixiert werden.
  8. Vorrichtung laut Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend 3 mit einem zweiten Steg (21), die Kugeln durch elastische, magnetische, elektrische Kräfte, Reibungs- oder Adhäsionskräfte fixiert werden.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der 4 die Resonatoren (2) hintereinander angeordnet sind, so dass alle Resonatoren in Wechselwirkung mit dem gesamten durch die Lichtleitfaser (1) zugeführten zu analysierenden Licht treten.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend 5 an Stelle einer Resonatorzeile (2) ein Resonatorarray (5) eingesetzt wird und durch Verwendung von Umlenkeinheiten (6) dafür gesorgt wird, dass jeder Resonator auf dem gleichen Wellenleiter (3) liegt und mit der gesamten durch die Lichtleitfaser (1) zugeführten zu analysierenden Strahlung in Wechselwirkung tritt.
  11. Vorrichtung entsprechend den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der 6 jeder Resonator, bzw. jede Resonatorgruppe nur von einem Teil des Analyselichtes getroffen wird. Dazu wird dieses entsprechend der 6 durch eine Aufweitungsoptik (7) so aufgeweitet, dass das gesamte Substrat (4), bzw. Detektorfeld (5) beleuchtet wird.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren sich im Inneren eines Hohlleiters entsprechend der 7 befinden. Die Resonatoren können dabei direkt in Kontakt mit der lichtführenden Schicht (9), dem Core, sein, oder auf dem Core ist entsprechend dem Anspruch 3 eine weitere Schicht angebracht, deren Brechungsindex kleiner als jener des Cores und der Resonatoren ist.
  13. Vorrichtung entsprechend den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der 8 die Detektorzeile bzw. der Detektorarray (13) sich direkt über der Resonatorzeile bzw. dem Resonatorarray (2) befindet und so montiert ist, dass jeder Resonator nur ein Detektorelement beleuchtet.
  14. Vorrichtung entsprechend den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der 9 sich zwischen der Resonatorzeile bzw. dem Resonatorarray (2) und der Detektorzeile bzw. dem Detektorarray (13) eine Lochplatte (14) befindet, die so montiert ist, dass jeder Resonator nur ein Detektorelement beleuchtet.
  15. Vorrichtung entsprechend den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der 9 sich zwischen der Resonatorzeile bzw. dem Resonatorarray (2) und der Detektorzeile bzw. dem Detektorarray (13) ein Lichtleitfaserarray (14) befindet, das so montiert ist, dass jeder Resonator nur ein Detektorelement beleuchtet (12).
  16. Vorrichtung entsprechend den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der 10 sich zwischen der Resonatorzeile bzw. dem Resonatorarray (5) und der Detektorzeile bzw. dem Detektorarray (13) ein Mikrolinsenarray (16) befindet, das so montiert ist, dass jeder Resonator nur ein Detektorelement beleuchtet (12).
  17. Vorrichtung entsprechend den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der 11 sich zwischen der Resonatorzeile bzw. dem Resonatorarray (2) und der Detektorzeile bzw. dem Detektorarray (13) eine Abbildungsoptik (15) befindet, die so montiert ist, dass jeder Resonator auf ein Detektorelement abgebildet wird (12).
  18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren durch das zu analysierende Licht zur Fluoreszenz angeregt werden.
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