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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Messung physikalischer Größen, insbesondere
zur Temperaturmessung.
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Aus der
EP 0 716 291 A2 ist ein
Sensor zur Messung physikalischer Größen, unter anderem auch der
Temperatur bekannt. Hierzu wird mittels einer optischen Anordnung
die Entfernung zu einen Gegenstand gemessen. Zur Temperaturmessung muss
die Distanz mit der Temperatur variieren.
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In der
GB 2 191 286 A wird ein optischer Temperatursensor
beschrieben, bei dem ein Glaskörper
mittels einer Lichtquelle durchstrahlt wird. Durch eine temperaturabhängige Transmission
des Glases kann mittels einer Detektoranordnung die Transmission
gemessen werden und somit die Temperatur bestimmt werden.
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Die Anordnung der
EP 0 214 040 B1 ist der oben
genannten ähnlich.
Hier wird ein halbleitendes Material durchstrahlt, dessen Absorption
temperaturabhängig
ist.
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Die
EP 1 265 059 A2 beschreibt ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Messung und Steuerung der Temperatur einer
Glasfaserspitze durch temperaturabhängige Floureszenz. Hierbei
wird ein floureszierendes Material auf der Spitze optisch angeregt und
die Phasendifferenz zwischen dem Anregungssignal und dem emittierten
Signal gemessen.
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Aus der
DE 33 41 048 A1 ist ein
Faser-Optik-Thermometer bekannt, bei dem ein Abschnitt des Mantels
einer Glasfaser durch ein Material ersetzt wird, dessen Brechungsindex
temperaturabhängig ist.
An einem Ende der Glasfaser befindet sich ein Spiegel, am anderen
Ende befindet sich eine Vorrichtung mit der Licht in die Faser eingekoppelt
und das reilektierte Licht detektiert wird. Durch Änderung
der Temperatur ändert
sich die Wellenleitung der Faser und somit das detektierte Signal.
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Aus der
DE 199 60 370 C2 eine Temperatur-Meßvorrichtung
mit einem optischen Resonator bekannt. Der optische Resonator ist
als Mikropartikel ausgebildet, in den mittels zu dünnen Spitzen
geformter Lichtwellenleiter das Licht einer breitbandigen Lichtquelle
(Laserdiode) eingekoppelt und zur Auswertung mittels eines optischen
Spektrometers Licht aus dem Mikropartileel ausgekoppelt wird. Innerhalb
des kugelförmigen
Mikropartikels kommt es aufgrund von Totalreflexion an der Oberfläche zu einer
Vielfachreflexion mit Überlagerung
der Wellenzüge,
wobei bei bestimmten Lichtwellenlängen optische Resonanz (Überhöhung der
elektromagnetischen Feldamplitude im Inneren des Mileropartikels)
auftritt. Hierbei sind die Resonanzeigenschaften des optischen Resonaturs
aufgrund der thermischen Ausdehnung sowie der Änderung des Brechungsindex von
der Umgebungstemperatur abhängig.
Das ausgekoppelte Licht wird mit einem optischen Spektrometer beobachtet
und das Resonanzspeletrum in einen Temperaturwert umgerechnet.
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Das in der
DE 199 60 370 C2 beschriebene Temperatur-Meßverfahren
weist eine große
Anzahl von Vorteilen auf. Aufgrund der geringen Größe des Resonators
eignet es sich zur Temperaturmessung mit hoher räumlicher Auflösung. Aufgrund
des rein optischen Meßverfahrens
ist der Sensor auch in explosionsgefährdeter Umgebung sowie im Umfeld starker
elektromagnetischer Felder einsetzbar (bspw. Kernspintomographie,
Mikrowellenofen etc.).
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Bei dem in der
DE 199 60 370 C2 beschrieben
Sensor erfolgt die Ein- und Auskopplung von Licht durch flexible
optische Fasern, die zu Spitzen geformt sind, so daß sie sich
auf wenige Mikrometer verjüngen.
Diese Spitzen sind durch einen Photopolymer-Klebstoff mit dem Mikropartikel
verbunden.
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In der Praxis bietet dieser Aufbau
einige Probleme. An den Photopolymer-Klebstoff werden erhebliche
Anforderungen gestellt. Die Herstellung eines Sensors ist aufgrund
der notwendigen exakten Positionierung und mechanischen Fixierung
entsprechend aufwendig.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
die vorgenannte Meßvorrichtung
zu verbessern, und einen für
verschiedene praktische Meßanwendungen
geeigneten, mit geringem Aufwand herzustellenden Sensor vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird gelöst einerseits
durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Resonator in
einer am Lichtleiter gebildeten Aussparung angeordnet ist und andererseits
durch eine Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der Resonator in
einer keilförmigen
Meßspitze
zwischen zwei aufeinander zulaufenden Stegen angeordnet ist. Abhängige Ansprüche beziehen
sich jeweils auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bei der Lösung gemäß Anspruch 1 ist am Lichtleiter
eine Aussparung gebildet und der Resonator – zumindest zum Teil – innerhalb
dieser Aussparung angeordnet. Der Resonator ist innerhalb der Aussparung
mechanisch gehalten und optisch an den Lichtleiter angekoppelt.
Der Resonator liegt direkt am Lichtleiter-Material an und wird dort
durch Einklemmen und/oder durch die zwischen dem Resonator und dem
Lichtleiter wirkenden Adhäsionskräfte gehalten.
Bevorzugt ist der Resonator mehr als zur Hälfte, besonders bevorzugt sogar
vollständig
in der Aussparung aufgenommen. Lichtleiter weisen üblicherweise
einen lichtleitenden Kern und einen daran angeordneten Mantel auf.
Die Aussparung ist bevorzugt gebildet im Bereich des Kerns.
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Diese Lösung hat den Vorteil, daß durch
die mechanische Halterung des Resonator direkt am Lichtleiter kein
Klebstoff mehr notwendig ist. Zudem ist es auch nicht mehr notwendig
die Lichtleiter-Fasern zu dünnen
Spitzen zu formen und am Resonator exakt zu positionieren. Sondern
der Resonator ist in der Aussparung am Lichtleiter direkt gehalten
und positioniert.
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Der Resonator kann verschiedene Formen aufweisen,
bei denen sich durch Totalreflexi on an der Grenzfläche eine
Resonanz ausbilden kann. Außer der
bevorzugten sphärischen
Form kommen z.B. auch zylindrische oder ellipsoide Formen in Frage. Es
ist von Vorteil, wenn die Form der Öffnung im Lichtleiter auf die
Form des Resonator abgestimmt ist. Für Resonatoren mit runden Querschnitten
empfiehlt sich eine kegel- oder zylinderförmige Aussparung. Die Aussparung
ist bevorzugt in Längsrichtung des
Lichtleiters ausgerichtet und bildet eine Öffnung zum freien Ende des
Lichtleiters hin.
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Die mechanische Fixierung des Resonators am
Lichtleiter kann auf verschiedene Arten erfolgen. Bevorzugt wird,
daß der
Resonator von dem Lichtleiter an mindestens zwei im Abstand voneinander
angeordneten Stellen berührt
und dort klemmend gehalten wird. Besonders bevorzugt werden ringförmige Kontaktstellen,
wie sie sich zwischen einem sphärischen
oder ellipsioden Resonatorkörper
und einer zylinder- oder kegelförmigen
Aussparung ergeben. Durch das Anliegen an mindestens zwei Stellen,
die in ausreichendem Abstand angeordnet sind, ergibt sich einerseits
eine vorteilhafte, weitgehend tangentiale optische Einkopplung und
andererseits eine feste mechanische Halterung durch die sich zwischen den
Kontaktstellen ergebenden Klemm- und Adhäsionskräfte.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
ist nur ein Lichtleiter vorhanden, mit dem sowohl Licht von der
Lichtquelle zum Resonator als auch in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung
aus dem Resonator ausgekoppeltes Licht geführt wird. Diese Ausführung ist
von erheblich einfacherem Aufbau als ein Sensor mit separatem Hin-
und Rückleiter.
Mittels eines Richtungskopplers in der Auswerteeinheit kann die
Lichteinkopplung für
die Anregung von der Lichtauskopplung für die Auswertung getrennt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Lichtleiter um einen Hohlleiter. Der Resonator
ist im Inneren des Hohlleiters angeordnet, wobei bevorzugt der Durchmesser
des Resonators auf den Innendurchmesser des Hohlleiters abgestimmt
ist, so daß sich
ein guter optischer und mechanischer Kontakt zwischen dem Resonatorkörper und
dem Hohlleiter ergibt. Der Innendurchmesser des Hohlleiters kann
hierbei auch variieren, so daß sich
bspw. eine Abstufung oder ein Übergangsbereich
zwischen einem größeren Innendurchmesser nahe
am freien Ende des Hohlleiters und einem kleineren Innendurchmesser
in größerer Entfernung vom
freien Ende ergibt.
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Ist der Resonator im Übergangsbereich
bzw. an der Stufe angeordnet, ergibt sich ein besonders guter mechanischer
und optischer Kontakt zwischen Hohlleiter und Resonator und eine
exakte Positionierung des Resonators.
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Der Lichtleiter mit dem in der Aussparung
angeordneten Resonator kann auf verschiedene Weise gestaltet sein.
So ist es bspw. möglich,
daß sich
der Lichtleiter an seinem freien Ende verjüngt. Um eine größere mechanische
Flexibilität
des Lichtleiters zum Einklemmen des Resonators zu erreichen, kann
der Lichtleiter im Bereich seinen freien Endes einen oder mehrere
Längsschlitze
aufweisen. Schließlich
kann das Ende des Lichtleiters mit einer Kappe abgedeckt oder mit
einer Vergußmasse
verschlossen sein.
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Bei der Lösung gemäß Anspruch 11 wird eine keilförmige Meßspitze
vorgeschlagen, wobei in einem vorderen Teil der Meßspitze
der Resonator angeordnet ist und am hinteren Teil der Meßspitze
zwei Lichtleiter-Fasern angekoppelt sind. Die Meßspitze weist zwei einander
gegenüber
angeordnete, aufeinander zulaufende Stege auf, die mindestens zum
Teil aus Lichtleiter-Material bestehen. Der Resonator ist zwischen
den Stegen angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist der hintere Teil der Meßspitze
einen Sockel mit Öffnungen
zur Aufnahme von zwei Lichtleitern auf, bevorzugt handelsüblichen
Lichtleiter-Fasern mit einem Durchmesser von bspw. 80 bis 125 μm. Die Keilform der
Meßspitze
ermöglicht
dann die optische Ankopplung dieser beiden Lichtleiter an den Resonatorkörper, der
einen Durchmesser von üblicherweise
weniger als 100 μm,
typischerweise im Bereich von 50 μm aufweist.
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Bevorzugt ist der Resonator zwischen
den Stegen mechanisch gehalten. Hierbei kann der Resonator direkt
an den Stegen anliegen und so durch Klemm- und Adhäsionskräfte mechanisch
gehalten sein. Die optische Ankopplung erfolgt hierbei durch das
Lichtleiter-Material der Stege. Es kann aber auch vorgesehen sein,
daß geringfügige Spalte
zwischen dem Resonator und den Stegen verbleiben, über die der
Kopplungsgrad eingestellt werden kann. Die Spaltbreite liegt bspw.
bei weniger als 1 μm,
bevorzugt in der Größenordnung
der verwendeten Lichtwellenlänge.
In diesem Fall liegt der Resonator an einer Grund- und/oder Deckplatte
an und ist dort durch Klemm- und/oder Adhäsi onskräfte gehalten. Grund- und/oder
Eckplatte können
zur Erhöhung
der Flexibilität
ein oder mehrere Längsschlitze
aufweisen. Zur Verbesserung der Positionierung können Grund- und/oder Deckplatte
auch eine in Längsrichtung
verlaufende Führungsnut
aufweisen, in der der Resonator aufgenommen ist.
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Für
die Meßvorrichtung,
sowohl gemäß der Lösung nach
Anspruch i als auch der Lösung
nach Anspruch 11 sind eine Anzahl von Weiterbildungen möglich. So
kann die Vorrichtung mehrere Resonatoren aufweisen. Diese können an
denselben Lichtleitern bzw. an demselben Lichtleiter angekoppelt
sein. Bspw. im Fall eines Hohlleiters können so mehrere Resonatoren
an verschiedenen Stellen innerhalb des Hohlleiter aufgenommen sein.
Ebenso können
Bspw. innerhalb der keilförmigen
Meßspitze
mehrere Resonatoren unterschiedlicher Größe hintereinander jeweils zwischen
den Stegen angeordnet sein. Mehrere Resonatoren können einerseits
zu einer gleichzeitigen Messung an verschiedenen Orten dienen. Andererseits
können
verschiedene Resonatoren auch für
die Messung in verschiedenen Meßbereichen
verwendet werden, so daß eine
höhere
Genauigkeit im jeweiligen Meßbereich
bzw. eine Erweiterung des Meßbereichs
möglich
ist.
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Bei der Ankopplung mehrerer Lichtleiter
an denselben oder dieselben Lichtleiter ist es für die Signalauswertung notwendig,
die Signale der verschiedenen Resonatoren zu unterscheiden, um die
jeweiligen Meßwerte
zu ermitteln. Dies kann bspw. über die
Auswertung von Laufzeitinformationen erfolgen. Bevorzugt wird aber,
daß die
verschiedenen Resonatoren bei verschiedenen Licht-Wellenlängen Resonanzen
aufweisen und auf diese Weise bei der Signalauswertung unterschieden
werden.
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Für
die eigentliche Durchführung
der Messung kann bspw. einerseits eine breitbandige Lichtquelle
mit einem kontinuierlichem Spektrum verwendet werden, dessen spektrale
Breite bevorzugt mindestens dem freien Spektralbereich bzw. Modenabstand
des Resonators entspricht. Die Auswertung erfolgt dann frequenzselektiv
um die Lage der Resonanz zu ermitteln. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
wird aber eine Lichtquelle verwendet, die zur Erzeugung von Licht
verschiedener Frequenzen angesteuert werden kann, bspw. eine durchstimmbare Laserdiode.
Bei Anregung des oder der Resonator/Resonatoren mit dem durchstimmbaren
Laser kann durch einfache Messung der Intensität des vom Resonator ausgekoppelten
Lichts bei Anregung mit Licht der jeweili gen Frequenz die jeweilige
Resonanzfrequenz des Resonators durch Ermittlung eines – mindestens
lokalen – Intensitätsmaximums
ermittelt werden. Aus der Lage der Resonanz kann dann auf den Meßwert für eine physikalische
Größe (Temperatur)
am Ort des jeweiligen Resonators geschlossen werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der
Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 Einen
Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
eines Sensors mit kegelförmiger Bohrung
in einer Lichtleiter-Faser;
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2 einen
Längsschnitt
durch eine zweite Ausführungsform
eines Sensors mit einer zylinder- und kegelförmigen Bohrung in einem Lichtleiter;
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3 einen
Längsschnitt
durch eine dritte Ausführungsform
eines Sensors mit einem Mikroresonator in einem Hohlleiter;
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4 einen
Längsschnitt
durch eine vierte Ausführungsform
eines Sensors mit einem Mikroresonator in einem Hohlleiter mit gestuftem
Innendurchmesser;
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5 einen
Längsschnitt
durch eine fünfte Ausführungsform
eines Sensors mit einem Hohlleiter mit Schlitz;
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6 einen
Längsschnitt
durch eine sechste Ausführungsform
eines Sensors mit einem Hohlleiter mit gestuftem Innendurchmesser
und Schlitz;
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7 einen
Längsschnitt
durch eine siebte Ausführungsform
eines Sensors mit am Ende verjüngtem
Lichtleiter;
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8 einen
Längsschnitt
durch eine achte Ausführungsform
eines Sensors mit einer Kappe als Abdeckung;
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9 einen
Längsschnitt
durch eine neunte Ausführungsform
eines Sensors mit einer Vergußmasse
als Abdeckung;
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10 einen
Längsschnitt
durch eine zehnte Ausführungsform
eines Sensors mit mehreren Mikroresonatoren in einem Hohlleiter;
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11 einen
Längsschnitt
durch eine elfte Ausführungsform
eines Sensors mit mehreren Mikroresonatoren unterschiedlichen Durchmessers;
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12 einen
Längsschnitt
durch eine schematische Darstellung von Komponenten einer Meßvorrichtung
mit einem Sensor nach 1;
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13 einen
Längsschnitt
durch eine zwölfte
Ausführungsform
eines Sensors in Form einer Meßspitze;
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13a eine
vergrößerte Ansicht
des Bereichs A aus 13;
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13b eine
Ansicht des Querschnittes entlang der Linie B..B aus 13a;
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14 eine
stirnseitige Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Sockels des
Sensors aus 13;
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15 eine
stirnseitige Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Sockels des
Sensors aus 13;
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16 einen
Querschnitt durch die Spitze einer dreizehnten Ausführungsform
eines Sensors;
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17 einen
Querschnitt durch die Spitze einer vierzehnten Ausführungsform
eines Sensors;
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18 einen
Querschnitt durch die Spitze einer fünfzehnten Ausführungsform
eines Sensors;
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19 eine
schematische Darstellung von Komponenten einer zweiten Ausführungsform
einer Meßvorrichtung
mit dem Sensor aus 13.
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1 zeigt
in einer Längsschnitt-Ansicht
das Ende eines Lichtwellenleiters 10 mit einem daran angekoppelten,
sphärischen
optischen Resonator 12. Der an den Lichtwellen-Leiter angekoppelte
Resonator 12 bildet einen Sensor, mit dem physikalische Größen, wie
die Temperatur erfaßt
werden können. Der
Lichtleiter dient hierbei zur Verbindung des Sensors mit einer Ansteuerungs-
und Auswerteeinheit, wie im Hinblick auf 12 erläutert wird.
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Bei dem Lichtleiter 10 handelt
es sich um eine handelsübliche
Lichtleiter-Faser, bspw. eine Multimodenfaser mit einem lichtleitenden
Kern 14 und einem transparenten Mantel 16. Der
Lichtleiter 10 ist von rundem Querschnitt. Er kann zusätzlich einen äußeren Schutzmantel
(nicht dargestellt) als mechanischen Schutz aufweisen. Der Lichtleiter 10 kann
einen beliebigen Durchmesser aufweisen. Im dargestellten Beispiel
beträgt
der Durchmesser des Kerns 14 ca. 100 μm.
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Der optische Resonator 12 ist
im dargestellten Beispiel als sphärischer Mikropartikel aus einem transparenten,
homogenen Material hergestellt. Die optischen Resonatoren können aber
auch aus einem Kern und einer oder mehreren Schichten mit unterschiedlichem
Brechungsindex bestehen. Der Kern kann hohl, evakuiert oder gasgefüllt sein.
Er weist einen Durchmesser von im dargestellten Beispiel 60 μm auf.
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Der Resonator 12 ist innerhalb
einer kegelförmigen
Aussparung 18 im lichtleitenden Kern 14 des Lichtleiters 10 angeordnet.
Die kegelförmige Aussparung 18 bildet
am freien Ende des Lichtleiters 10 eine runde Öffnung in
der Stirnseite 20. Der Resonator 12 ist vollständig innerhalb
der Aussparung 18 aufgenommen und liegt an den Kegelflächen an.
Es bildet sich so eine im wesentlichen ringförmige Kontaktzone des Kerns 14 mit
dem Resonator 12. Durch die Klemmwirkung aufgrund der Kegelform
und durch Adhäsionskräfte, die
zwischen dem Mikropartikel und dem umgebenden Kern 14 des
Lichtleiters 10 wirksam sind und die bei derartig kleinen
Körpern eine
erhebliche Rolle spielen, ist der Resonator 12 in der Aussparung 18 mechanisch
fixiert. Eine zusätzliche
Fixierung, bspw. durch Klebstoff, ist nicht notwendig.
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Die Aussparung 18 kann bspw.
durch Beschuß mit
Ionen oder durch Abschmelzen oder Abdampfen mit Laser erzeugt werden.
Weiter kommt eine Herstellung der Aussparung durch thermoplastische
Verformung oder mechanische Entfernung in Frage. Die Aussparung
kann auch direkt bei der Herstellung der Glasfaser erzeugt werden.
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Im dargestellten Beispiel beträgt der Öffnungswinkel
des Kegels ca. 40°.
Je geringer dieser Winkel gewählt
wird, desto stärker
ergibt sich eine Einklemm-Wirkung. Eine stärkere Einklemm-Wirkung wird
bei kleineren Winkeln erzielt. Bevorzugt werden hierfür Öffnungswinkel
von weniger als 30°, besonders
bevorzugt sogar 15° oder
weniger. Es ist aber zu beachten, daß im Bereich derartig kleiner Körper Adhäsionskräfte ebenfalls
eine Rolle spielen.
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Vom Winkel ist auch der Durchmesser
des ringförmigen
Bereichs abhängig,
in dem der Resonator 12 mit dem Lichtleiter 10 in
Kontakt steht. Es wird bevorzugt, daß dieser Durchmesser (d.h.
der Abstand zweier gegenüberliegender
Berührungsstellen) größer ist
als der halbe Durchmesser des Resonators 12.
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Der Resonator 12 kann dann
von vorne in die Öffnung
eingedrückt
werden, bis er aus reichend fixiert ist.
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Der Resonator
12 ist durch
das Anliegen an dem Material des Kerns
14 mit dem Lichtleiter
10 auch
optisch gekoppelt. Licht, das durch den Lichtleiter
10 geleitet
wird, wird im Bereich der Berührungsstellen
in den Resonator
12 eingekoppelt. Die Geometrie bestimmt
hierbei den Kopplungsgrad, wobei die Modenanpassung zu berücksichtigen
ist. Ein hoher Kopplungsgrad ist zwar von Vorteil, aber keine zwingende
Voraussetzung. Aufgrund der optischen Eigenschaften des Resonators
12 (Brechungsindex) kommt
es zu einer vielfachen Totalreflexion an der Oberfläche und
so zur Ausbildung eines Überlagerungsmusters.
Bei phasenrichtiger Überlagerung
der Wellenzüge
kommt es zu einer Überhöhung der
elektromagnetischen Feldamplitude, bezeichnet als optische Resonanz.
Wie in der
DE 199
60 370 C2 beschrieben, die hinsichtlich der Aussagen zur
Herstellung, Form und Abmessung des Mikropartikels sowie bezüglich des
verwendeten Meßprinzips
hier vollständig
einbezogen werden soll, kann dieser Effekt für die Temperaturmessung ausgenutzt
werden.
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Eine entsprechende Meßvorrichtung 120 ist in
symbolischer Form in 12 dargestellt.
Eine Lichtquelle 122 – im
dargestellten Beispiel eine durchstimmbare Laserdiode – liefert
Laserlicht einer bestimmten, einstellbaren Wellenlänge, das über einen
Richtungskoppler 129 in den Lichtleiter 124 eingekoppelt
wird und sich in diesem Lichtleiter in einer ersten Ausbreitungsrichtung
bis zu seiner Spitze 126 ausbreitet.
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Die in 12 dargestellte
Spitze 126 des Lichtleiters weist einen Resonator auf und
entspricht der ersten Ausführungsform
eines Sensors (1). Das
Licht wird in den Resonator eingekoppelt. Der Lichtleiter 10 dient
gleichzeitig auch zur Auskopplung von Licht aus dem optischen Resonator 12,
das dann in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung zu einer Auswerteeinheit 128 geleitet
wird. Hierbei wird mit Hilfe des Richtungskopplers 129 sichergestellt,
daß nur
das im Lichtleiter 124 zurückgeleitete Licht auf die Auswerteeinheit 128 gelangt.
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Die Messung kann nun wie in der
DE 199 60 370 C2 beschrieben
erfolgen, indem von der Laserdiode
122 Licht einer gewissen
Spektralbreite, die mindestens dem Modenabstand des Resonators entspricht,
eingekoppelt und das ausgekoppelte Licht mittels eines fre quenzselektiven
Auswertemittels wie eines optischen Spektrometers betrachtet wird.
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Alternativ ist es auch möglich, eine
durchstimmbare Laserdiode 122 zu verwenden. Die Messung
erfolgt dann dadurch, daß die
Frequenz des durchstimmbaren Lasers verändert wird und synchron dazu
die Amplitude das aus der Faser in die Detektoreinheit 128 zurück transportierten
Lichtes gemessen wird. Als Detektor wird vorzugsweise ein Halbleiterlichtdetektor
(Fotodiode etc.) verwendet. Im Resonanzfall steigt die Amplitude
des aus der Faser zurück
in die Detektoreinheit gelangenden Lichtes stark an. Da die Frequenz
des Lasers bekannt ist, bei der diese Resonanz gemessen wird, kann
daraus die Temperatur bestimmt werden. Die Zuordnung von Resonanzfrequenz
zum jeweiligen Temperatur-Meßwert
erfolgt über
eine analytische Betrachtung oder, bevorzugt, anhand einer vorherigen
Kalibrierung.
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Nachfolgend werden anhand der 2 bis 11 weitere, alternative Ausführungsformen
eines Lichtleiters mit einem oder mehreren daran angekoppelten optischen
Resonatoren zur Verwendung in einer Meßvorrichtung gemäß 12 beschrieben. Hierbei
ist der optische Resonator 12 jeweils als sphärischer
Resonator dargestellt. Alternativ kann der Resonator 12 auch
andere Formen, z.B. ellipsoide, annehmen, bei denen die Ausbildung
optischer Resonanz möglich
ist. Sämtliche
der in den 1 bis 11 dargestellten Ausführungsformen
verwenden nur einen Lichtleiter sowohl zur Ein- als auch zur Auskopplung
von Licht in den bzw. aus dem optischen Resonator.
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Bei der zweiten Ausführungsform
gemäß 2 wird dieselbe Multimodenfaser 10 wie
in 1 verwendet. Der
Resonator 12 weist hier einen etwas größeren Durchmesser von ca. 90 μm auf. Der
Lichtleiter 10a weist eine Aussparung 18a mit
einem im vorderen Bereich zylindrischen Abschnitt und im hinteren
Bereich kegelförmigen
Abschnitt auf.
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Die erste und die zweite Ausführungsform stimmen
darin überein,
daß eine
gute Kopplung zwischen der Lichtleiter-Faser und dem optischen Resonator
auf einer ringförmigen
Fläche
erfolgt. In die kegelförmige
Aussparung 18 bzw. den hinteren, kegelförmigen Bereich der Aussparung 18a können Mikroresonatoren
unterschiedlicher Größe eingesetzt
werden, die dann stets in Kontakt mit der Kegelfläche sind.
Ist die Aussparung ganz (nicht gezeigt) oder teilweise zylinderförmig (wie
in 2), kann durch Verwen dung
eines Resonators passender Größe ein gewünschter
Abstand zwischen dem lichtleitenden Kern 14 und dem Mikroresonator
eingehalten werden.
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In den 3 bis 9 sind Sensoren mit Kopplung
jeweils eines Resonators 12 mit optischen Hohlleitern gezeigt.
Die Hohlleiter weisen runden Querschnitt auf. Die Lichtleitung erfolgt
innerhalb eines röhrenförmigen Lichtleiters.
Um den Lichtleiter ist ein transparenter Mantel angeordnet sowie
ggfs. eine weitere, mechanische Schutzhülle, die hier nicht dargestellt
sind. Optische Hohlleiter sind mit Innendurchmessern von 50 bis
250 μm handelsüblich.
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Bei dem in 3 dargestellten Sensor 30 ist der
kugelförmige
Mikroresonator 12 in den Innenraum eines Hohlleiters 34 eingeschoben.
Der Resonator 12 ist klemmend im Inneren des Lichtleiters 34 aufgenommen
und steht über
eine ringförmige
Mantellinie in Kontakt mit dem Lichtleiter-Material 32.
Besonders bei klemmender Aufnahme eines Resonators in einem Hohlleiter
ist die Verwendung eines ellipsoiden Resonators (nicht dargestellt)
vorteilhaft. Hier kann die Ausdehnung in Längsrichtung des Hohlleiters
größer sein
als in Querschnittsrichtung. Eine Veränderung der Abmessungen des
Resonators kann dann bspw. vor allem die Längsachse betreffen, so daß die Kontaktlinie
und die klemmende Aufnahme zwischen Hohlleiter und Resonator weitgehend
unverändert
bleibt.
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Der Sensor 30 kann durch
Einschieben des auf den Innendurchmesser des Lichtleiters 34 abgestimmten
Resonators von der vorderen Öffnung
her hergestellt werden. Der Resonator 12 ist vollständig im
Innenraum aufgenommen. Optische Ein- und Auskopplung erfolgt entlang
der gesamten Kontaktlinie. Bei der in 3 gezeigten
Ausführungsform,
bei der der Durchmesser des Resonators 12 im wesentlichen
mit dem Innendurchmesser des Lichtleiters 34 übereinstimmt,
kommt es zu einer exakt tangentialen Lichteinkopplung.
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Bei der in 4 gezeigten vierten Ausführungsform
handelt es sich wie in 3 um
die Kopplung eines Resonators 12 an einen Hohlleiter 44.
Der Hohlleiter 44 zeigt in diesem Fall einen stufenförmigen Ansatz 46.
Dieser Ansatz 46 kann als echte Stufe (nicht dargestellt)
oder, wie in 4 gezeigt,
als Teil einer Kegelfläche
ausgebildet sein. Durch den stufenförmigen Ansatz ist die axiale
Position des Resonators 12 festgelegt und gleichzeitig
eine automatische Zentrierung erreicht. Die Einkopplung kann über den
Ansatz 46 oder über
den dünnen
zylindrischen Teil des Hohlleiters 44 erfolgen. Damit ergibt sich
eine hohe Flexibilität
in der Anpassung der Hohlleitermoden und der Resonatormoden.
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Die fünfte und sechste Ausführungsform
gemäß 5 und 6 entspricht jeweils der dritten und
vierten Ausführungsform
mit dem Unterschied, daß am
Ende des jeweiligen Hohlleiters ein Längsschlitz 52, 62 vorgesehen
ist. Auf diese Weise wird die Elastizität des Hohlleiters an der Spitze
erhöht,
so daß eine
Anpassung des Durchmessers an den Resonatoraußendurchmesser beim Eindrücken möglich ist.
Die dann entstehenden elastischen Kräfte sorgen gleichzeitig für eine Fixierung
des Resonators 12 im Bereich der Spitze.
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In 7 ist
ein Sensor 70 dargestellt, bei dem sich der lichtführende Mantel 72 des
Hohlleiters zur Spitze in einem Bereich 74 verjüngt. Durch
diese Verjüngung
wird eine bessere räumliche Überlagerung
der Resonatormoden mit den Hohlleitermoden sichergestellt.
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In den 8 und 9 sind eine achte und eine neunte
Ausführungsform 80, 90 von
Sensoren dargestellt. Es handelt sich um Hohlleiter mit daran angekoppeltem
Resonatorkörper.
Bei der achten Ausführungsform
wird zur Isolation eine Kappe 82 auf den Hohlleiter geschoben
und dort in geeigneter Weise fixiert. Bei der neunten Ausführungsform
wird der Hohlleiter mit dem eingebrachten Mikroresonator mit einer
Vergußmasse 92 vergossen.
Dieser Verschluß kann
mit einem aushärtenden
Kleber oder Kunststoff oder sonstigen Materialien erfolgen.
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Die jeweiligen Merkmale der verschiedenen vorgenannten
Ausführungsformen
(Längsbohrung bzw.
Hohlleiter, Zylinder- bzw. Kegelform, Schlitz, Abstufung, Verjüngung, Kappe,
Vergießen)
können selbstverständlich für eine konkrete
Anwendung beliebig kombiniert werden. Insofern sind die in den 1 bis 9 gezeigten Sensoren lediglich als beispielhafte
Kombinationen dieser Merkmale anzusehen.
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Die 10 und 11 zeigen eine zehnte und eine
elfte Ausführungsform 100, 110 von
Sensoren. Bei den Sensoren 110 sind mehrere Resonatoren 12a, 12b, 12c, 12d, 12e vorgesehen,
von denen jeweils mehrere an denselben Lichtleiter angekoppelt sind.
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Bei der zehnten Ausführungsform
sind analog zur Aufnahme eines Resonators bei der dritten Ausführungsform
in einem Hohlleiter 102 mehrere im Abstand angeordnete
Resonatoren 12a, 12b, 12c vorgesehen,
von denen hier drei dargestellt sind. Diese sind mit Distanzstücken 104a, 104b, 104c auf
einer bestimmten Entfernung voneinander gehalten. Alternativ können sie
auch durch Reibungs- und/oder Adhäsionskräfte an dem jeweiligen Ort fixiert
sein. Die Resonatoren 12a, 12b, 12c sind
entsprechend der Kopplung beim dritten Ausführungsbeispiel gemeinsam an
den Lichtleiter 102 angekoppelt.
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Im dargestellten Beispiel sind die
Resonatoren 12a, 12b, 12c so ausgeführt, daß sie bei
unterschiedlichen Frequenzen des eingekoppelten Lichts in Resonanz
geraten. Dies kann durch Verwendung von Materialien mit unterschiedlichem
Brechungsindex erreicht werden oder durch ellipsoide Resonatoren
(nicht dargestellt), bei denen eine Achse dem Innendurchmesser des
Lichtleiters 102 entspricht und die andere in Längsrichtung
verlaufende Achse unterschiedlich groß ist, so daß die jeweils
gewünschten,
voneinander abweichenden Resonanzfrequenzen entstehen.
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11 zeigt
den Sensor 110 gemäß der elften
Ausführungsform,
bei dem unterschiedlich große Resonatoren 12d, 12e an
denselben, im vorliegenden Beispiel mehrfach gestuften Hohlleiter 112 angekoppelt
sind. Die Resonatoren 12d, 12e weisen unterschiedliche
Resonanzfrequenzen auf. Sie können aus
demselben Material bestehen.
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Die Verwendung von mehreren Resonatoren beim
zehnten und elften Ausführungsbeispiel
kann verschiedene Vorteile haben. Einerseits kann so bei einmaligem
Positionieren des Sensors 100 die Temperatur an verschiedenen
Orten, nämlich
im Bereich der jeweiligen Resonatoren 12a, 12b, 12c gemessen werden.
Zum anderen kann mit einem Sensor, der über unterschiedliche Resonatoren
verfügt,
der Temperatur-Meßbereich
erweitert bzw. die Genauigkeit der Messung erhöht werden. Dies kann bspw.
das Resonator-Material betreffen. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von Polymeren und Glas bspw. unterschieden sich um eine Größenordnung. Bei
gleichzeitiger Verwendung von Resonatoren beider Materialien kann
bspw. durch einen Glas-Resonator ein breiter Meßbereich erreicht werden, aber
innerhalb eines bestimmten Bereichs davon eine hohe Genauigkeit
durch einen geeigneten Polymer-Resonator erzielt werden.
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In 13 ist
eine zwölfte
Ausführungsform 130 eines
Sensors gezeigt. Es handelt sich um eine Vorrichtung zur Koppluasg
eines optischen Mikroresonators 12 mit zwei handelsüblichen
Lichtleiter-Fasern.
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Der gesamte Meßaufbau ist in
19 dargestellt. Auch hier wird wie in
der
DE 199 60 370
C2 beschrieben eine physikalische Größe am Ort des Resonators – hier die
Temperatur – gemessen,
indem das Licht einer Laserdiode
192 über einen ersten Lichtleiter
194 zum
Sensor
130 geleitet und dort in einen Mikroresonator eingekoppelt
wird. Das aus dem Mikroresonator ausgekoppelte Licht wird über einen zweiten
Lichtleiter
195 zur Meßvorrichtung
zurückgeleitet
und auf eine Auswerteeinheit
198 gegeben. Die Auswertung
erfolgt wie vorstehend im Hinblick auf
12 erläutert. Die Meßvorrichtung
190 unterscheidet
sich von der Meßvorrichtung
120 aus
12 dadurch, daß zur Ankopplung
des Sensors
130 an die Meßvorrichtung zwei Lichtleiter
verwendet werden.
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Der in 13 dargestellte
Sensor 130 weist einen Sockel 131 und eine keilförmige Meßspitze 132 auf.
Die Meßspitze 132 ist
gebildet durch zwei Stege 133a, 133b, die zur
Spitze hin aufeinander zulaufen. Im in 13a vergrößert dargestellten Bereich
des Endes der Meßspitze 132 ist
der optische Resonator 12 zwischen den Stegen 133a, 133b angeordnet,
wobei er beidseitig an den Stegen anliegt und durch Klemm- und Adhäsionskräfte dort
gehalten ist.
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Wie im Querschnitt von 13b erkennbar ist, weisen
die Stege 133a, 133b Streifen 134a, 134b aus
Lichtleiter-Material auf. Die Streifen 134a, 134b verlaufen
mittig auf der Innenseite entlang der gesamten Länge der Stege 133a, 133b.
Sie liegen wie in 13b gezeigt
am Resonator 12 tangential an.
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Wie weiter aus 13b ersichtlich, weist die Meßspitze 132 weiter
eine Grundplatte 135 und eine Deckplatte 136 auf,
die den Bereich zwischen den Stegen 133a, 133b nach oben
und unten abschließen.
Die Grundplatte 135 weist hierbei im Bereich des Endes
der Spitze zwei Schlitze 138 auf. So wird die Elastizität der Seitenstege
erhöht
und diese können
auseinanderfedern, um den Mikroresonator zwischen sich aufzunehmen.
Durch die elastischen Kräfte
wird eine gute Fixierung des Resonators 12 erzielt.
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Die keilförmige Ausführung des Sensors 130 erlaubt
den Übergang
von der Größe der optischen Resonatoren,
deren Abmessung typischerweise in der Größenordnung von weniger als
100 μm liegen, auf
den Abstand zweier nebeneinanderliegender handelsüblicher
Glasfasern, deren Kernabstand in der Größenordnung von einem halben
Millimeter liegt. Der Keilwinkel ist so gewählt, daß der Resonator 12 zwischen
den Seitenstegen 133a, 133b eingedrückt und
dort durch Reibungs- und Adhäsionskräfte fixiert
werden kann. Durch die keilförmige
Ausführung
ist es möglich,
verschiedene Resonatorgrößen zu verwenden.
Ggfs. können
auch mehrere Resonatoren unterschiedlichen Durchmessers an unterschiedlichen
Stellen zwischen den Stegen 133a, 133b angeordnet
werden.
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Die Meßspitze 132 kann bspw.
mit Hilfe von Verfahren hergestellt werden, wie sie bei der Herstellung
von integrierten Schaltungen verwendet werden.
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Der Sockel 131 dient zum
Anschluß der Lichtleiter.
Hier sind verschiedene Ausführungen möglich. 14 zeigt den Sockel 131 in
einer stirnseitigen Ansicht mit zwei Öffnungen 142a, 142b zum Einstecken
herkömmlicher
Lichtleiter-Fasern. Die Löcher 142a, 142b sind
in den quaderförmigen
Sockel 131 gebohrt. Die Lichtleiter-Streifen 134a, 134b sind durch
Kanäle 144a, 144b bis
zu den Einstecklöchern 142a, 142b geführt, so
daß in
die Öffnungen 142a, 142b eingesteckte
Lichtleiter-Fasern optisch daran angekoppelt sind.
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15 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Sockels 150 der anstatt des Sockels 131 verwendet
werden kann. Der Sockel 150 ist als Schlitzsockel ausgeführt. Die
Lichtleiter-Fasern werden in Schlitze 152a, 152b eingedrückt und
dort geeignet fixiert, bspw. eingegossen oder eingeklebt.
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In den 16 bis 18 sind die dreizehnte, vierzehnte
und fünfzehnte
Ausführungs form
eines Sensors dargestellt. Gezeigt sind jeweils Querschnitts-Darstellungen
im Bereich des Resonators 12. Die jeweiligen Sensoren entsprechen
vom Aufbau her der keilförmigen
Meßspitze 130 mit
Sockel 131 aus 13.
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Die dreizehnte Ausführungsform
(16) entspricht dem
in 13b gezeigten Sensor
mit Stegen 133a, 133b, Deckplatte 136 und
Bodenplatte 135. Hier allerdings liegt der Resonator 12 nicht
direkt an den Stegen 133a, 133b an, sondern in
der Bodenplatte 135 ist eine Führungsnut 160 gebildet. Zur
Zentrierung des Mikroresonators, der in die Führungsnut 160 eingelegt
wird. Zwischen den Lichtleitern 134a, 134b in
den Stegen 133a, 133b und dem Resonator 12 besteht
ein geringfügiger
Abstand. Über
den Abstand kann der Kopplungsgrad zwischen den Lichtleitern 134a, 134b und
dem Resonator 12 beeinflußt werden.
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Bei der vierzehnten Ausführungsform (17) bestehen sowohl die
Stege 133a, 133b als auch die Grundplatte 135 vollständig aus
Lichtleiter-Material, was die Herstellung wesentlich erleichtert.
Auch hier sind die Stege im Bereich des Sockels jeweils an einzelne
Lichtleiter-Fasern zur Ein- bzw. Auskopplung von Licht angeschlossen.
Aufgrund der durchgängigen,
lichtleitenden Grundplatte 135 kommt es zwar in geringem
Maße zu Übersprechen zwischen
Hin- und Rückleiter.
Aufgrund der geometrischen Verhältnisse
ist dieser Effekt aber begrenzt.
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Auch hier besitzt die Grundplatte 135 eine mittlere
Vertiefung zur Zentrierung des Resonators 12, die ggfs.
auch entfallen kann.
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Alternativ zur Ausführung der
Stege wie in 13b gezeigt
mit Streifen 134a, 134b aus Lichtleiter-Material
können
die Stege 133a, 133b wie bei der fünfzehnten
Ausführungsform
(18) gezeigt, auch vollständig aus
Lichtleiter-Material bestehen. Dies kann kombiniert werden bspw.
mit der Einklemmung des Resonators 12 zwischen den Stegen,
wobei Schlitze 138 in Grund- oder Deckplatte vorteilhaft sind.
Alternativ kann auch, wie in 18 dargestellt, eine
Zentrierung des Resonators 12 zwischen den Stegen 133a, 133b in
einer Führungsnut 180 erfolgen,
wobei es dann möglich
ist, einen gewissen Abstand zwischen den vollständig aus Lichtleiter-Material
bestehenden Stegen 133a, 133b und dem Mikroresonator 12 vorzusehen.