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Versuch Lichtwellenleiter 1 Aufgabenstellung 1.1. Die Laserstrahlung eines He-Ne-Lasers soll mit möglichst hohem Wirkungsgrad in

Multimode- und Monomode-Lichtwellenleiter (LWL) eingekoppelt werden. Die

Anforderungen an die Qualität der Einkopplung und die erzielten Wirkungsgrade sollen

verglichen werden.

1.2. Es sind zwei Reflexsensorsysteme zur Abstandsmessung mit Hilfe von Multimode-LWL

aufzubauen. Ihre Kennlinien sind aufzunehmen und zu vergleichen.

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1.3. Bauen Sie ein einfaches Planspiegel-Interferometer auf. Die Einkopplung des Laserlichts

erfolgt mit Hilfe der Monomodefaser. Das Interferenzsignal soll mit einem Multimode-

Tastkopf (Doppel-LWL-Sensor) abgetastet werden. Justieren Sie das Interferometer so,

dass zwei 90° -phasenverschobene Signale am Ausgang entstehen.

Mit Hilfe des Interferometers soll die Kennlinie eines Piezotranslators ermittelt werden

.

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2. Versuchsvorbereitung

2.1 Benötigte Stoffkomplexe - Wirkungsweise von He-Ne-Lasern,

- Besonderheiten der Laserstrahlung, Ausbreitungsgesetze von Laserstrahlen

(Kogelnik)

- Lichtwellenleiter, Arten, Eigenschaften, Wirkungsweise

- Prinzipien faseroptischer Sensoren

- Grundlagen der Interferenzerscheinungen

- optische Bauteile und ihre Eigenschaften

- Aufbau und Arbeitsweise von Laserinterferometern

- Fehlereinflüsse bei laserinterferometrischen Messungen

2.2 Aufgaben zur Vorbereitung 2.2.1.

Durch welche Kenngrößen kann Laserstrahlung und deren Ausbreitung charakterisiert werden

und wie sind die rechnerischen Zusammenhänge?

2.2.2.

He-Ne-Laserstrahlung mit einem Taillenradius von 0,35 mm wird durch eine Linse mit einer

Brennweite von 5,5 mm geschickt. Wie groß ist die Strahltaille nach dem Durchgang durch

die dünne Linse, wenn die Taille genau im Brennpunkt liegt? Wie ändert sich die Divergenz

der Strahlung?

Was bedeutet das für die Einkopplung in Mono- und Multimode-Lichtwellenleiter?

2.2.3.

Beschreiben Sie qualitativ die theoretischen Kennlinien (normierte Intensität als Funktion der

Entfernung vom Spiegel) zweier Multimode-Reflexsensoren (siehe obige Abbildung)

a) für einen Doppel-Lichtwellenleiter-Sensor,

b) für einen Y-Koppler-Sensor.

2.2.4.

Untersuchen Sie theoretisch, wie sich am Planspiegelinterferometer der Streifenabstand a in

Abhängigkeit vom Justierwinkel a des Planspiegels ändert. Stellen Sie die Abhängigkeit

grafisch dar!

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3. Geräte und Zubehör am Versuchsort

- He-Ne-Laser, Klasse 3 R nach DIN EN 60825-1:2014

- Optische Bauteile: Teilerwürfel,

Mikroskop-Objektive 10 x 0,25 (f ca. 15 mm für Multimodeeinkopplung) und 40 x 0,65

(f=4,3 mm für Monomodeeinkopplung), Kollimator, Planspiegel1, Planspiegel 2 mit

Piezotranslator, Linse f = 30 mm zur Aufweitung des Interferenzstreifenbilds

- Multimode -Tastkopf für Interferometer

- Interferometer-Versorgungs- und Auswerteeinheit

- Oszilloskop

- Strahlungsleistungsmessgerät LaserMate- Q mit Sensorkopf NU14

- Induktiver Geber

- Anzeigeeinheit für induktiven Geber

- Treibereinheit für Piezotranslator

- Monomode-Lichtwellenleiter mit einem Kerndurchmesser von ca. 3,8 µm sowie einer

Numerischen Apertur von 0,12

- Multimode-Lichtwellenleiter mit einem Faserdurchmesser von 200 µm und einem

Divergenzwinkel von 12°

Multimode-Reflexsensoren: a) Doppel-LWL-Sensor (Tastkopf) und

b) Y-Koppler-Sensor (Abstand der Fasern: 250 µm)

Laser-Netzteil Piezo-Treiber

Anzeige Induktiver Taster

Oszilloskop mit Frequenz-Generator

Interferometer-Auswerteeinheit

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zu 3.

LaserObjektiv

x/y - Justage

Q QX Y / - Justage LWLTeilerwürfel

Fokussierung

4. Hinweise zur Versuchsdurchführung

4.1 Laserschutz

Besondere Vorsichtsmaßnahmen beim Arbeiten mit Lasern beachten!

- Bei Veränderung an den Versuchsaufbauten Laserschutzbrille tragen!

- Hineinsehen in den direkten oder reflektierten Strahl vermeiden, trifft auch auf

Übertragung mit Lichtwellenleiter zu!

- Laserstrahl nicht auf Personen richten!

- Unbeabsichtigte Reflexion vermeiden!

- Lichtwellenleiter bei Nichtbenutzung aus Gründen der Lasersicherheit und um

Verschmutzung der Faser zu vermeiden immer mit Kappen versehen!

4.2 Einkopplung

4.2.1 Multimodeeinkopplung

1. Objektiv 10 x 0,25 einbauen, ohne LWL, Schirm aufstellen, Strahl muss gut darauf

abgebildet werden (Fokussierung).

2. LWL einbauen, Laser, Objektiv und LWL müssen fluchtend hintereinander stehen. (x/y-

Justage)

3. LWL von der anderen Seite mit dem zweiten He-Ne-Laser (über Stecker in Inter-

ferometer-Versorgungs- und Aus-

werteeinheit) beleuchten, Teilerwürfel so

drehen, dass die abgelenkten Teilstrahlen

von Laser (Referenz-strahl) und LWL in

weiter Entfernung (Wand) über die

gesamte Strecke zur Deckung gebracht

werden (Θx/ΘY- und x/y - Justage).

4. LWL vom zweiten

Laser entfernen, Strahlteiler aus dem Strahlengang entfernen und

eingekoppeltes Licht auf dem Schirm oder an der Wand betrachten (LWL

nicht vors Auge halten!). Nun Θx/ΘY sowie x/y anhand der visuellen

Beurteilung für eine maximale Einkoppeleffizienz justieren (Laserfleck

maximal und gleichmäßig). Alternativ kann die Anzeige des

Strahlungsleistungsmessers zur Justage verwendet werden. (gegebenenfalls

auch Fokussierung nachjustieren, Achtung: x/y-Justage sehr empfindlich, Ziel

ist eine Einkopplung von 60-80 %) zu 4.

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5. Zur Bestimmung der Einkoppeleffizienz (Einkoppelwirkungsgrad) wird zunächst die

Strahlungsleistung des aus der Faser austreten-den

Laserlichts ermittelt. Hierzu wird der DIN-Stecker des

Lichtwellenleiters mit der LWL- Aufnahme am Messkopf

des Strahlungsleistungsmessgerätes ver-bunden. Im

Anschluss wird die Strahlungsleistung des He-Ne-Lasers

bestimmt, indem die LWL-Kupplung vom Messkopf des

Strahlungsleistungsmessers getrennt und dieser direkt vor

den Laser gebracht wird.

Danach Punkt 4.3. (Aufbau und Untersuchung der Multimode-Abstandssensoren)

durchführen!

4.2.2 Monomodeeinkopplung (analog zu Multimodeeinkopplung)

1. Objektiv 40 x 0,65 einbauen, ohne LWL, Strahl muss gut auf dem Schirm abgebildet

werden

2. Monomodefaser einbauen, Teilerwürfel einsetzen

3. LWL von hinten mit zweitem Laser beleuchten, LWL in Brennpunkt bringen (z-Justage,

sehr empfindlich!), dann Θx/ΘY- und x/y - Justage

4. Feinjustage bis maximale Leistung erreicht wird (ca. 30-50 %)

5. Bestimmung des Einkoppelwirkungsgrades

Danach Punkt 4.4. (Aufbau des Interferometers) durchführen!

zu 5.

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4.3 Abstandsmessung, Aufnahme der Kennlinien zweier Y-Sensoren

Zur Abstandsmessung wird die in die Multimodefaser eingekoppelte Laserstrahlung

verwendet und mit Hilfe einer LWL-Kopplung (DIN-DIN- Kopplung) in einen Arm des

Multimode-Reflexsensors eingespeist. Die durch die Reflexion am Spiegel in den anderen

Arm eingekoppelte Strahlungsleistung wird mit Hilfe des Strahlungsleistungsmessgerätes

gemessen.

Die Bewegung des Spiegels erfolgt mit Hilfe einer Feinmessschraube, die Messung dieser

Verschiebung mit einem induktiven Geber. Hierbei ist es notwendig, den Messbereich günstig

zu wählen, damit große Verschiebewege möglich sind.

Vorsicht! Ein Anstoßen des LWL an den Spiegel ist zu vermeiden, dennoch zu Beginn der

Messung so nah wie möglich heranfahren (Blatt zwischen LWL und Spiegel halten und LWL

ganz langsam in Richtung Spiegel fahren). Danach erfolgt die Bewegung des Spiegels vom

Lichtwellenleiter weg.

Der Messbereich des Strahlungsleistungsmessers ist für die Messung günstig zu wählen.

Als Ergebnis sollen Kennlinien des Abstands LWL-Spiegel als Funktion der in den

Multimode-Reflexsensor rückreflektierten Strahlungsleistung aufgenommen und diskutiert

werden.

Die Messungen sind für beide Typen von Multimode-Reflexsensoren

durchzuführen.

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4.4 Aufbau und experimentielle Untersuchung eines einfachen Planspiegel- Interferometers

Es wird die in die Monomodefaser eingekoppelte Laserstrahlung verwendet.

Um paralleles Laserlicht zu erhalten, muss die Faser in den Brennpunkt des Kollimators

gebracht werden. Dazu den Laserfleck am Interferometerausgang in weiter Entfernung an der

Wand betrachten, einen der beiden Spiegel verdecken und die Faser in der LWL-Halterung

feinfühlig justieren. Der Laserfleck muss auf der gesamten Strecke vom Teilerwürfel bis zur

Wand ca. 5 mm Durchmesser besitzen und gleichmäßig ausgeleuchtet sein. Dabei sollte der

Laserstrahl möglichst mittig auf den Strahlteiler treffen.

Zunächst eine Blende direkt hinter den Kollimator stellen. Danach beide Planspiegel

abdecken und den Teilerwürfel so justieren, dass die Rückreflexe der Strahleintrittsfläche des

Teilerwürfels zurück in die Blende fallen. Anschließend den Rückreflex von Planspiegel 1

ebenfalls in die Blende justieren.

Nun den Planspiegel 2 (mit Piezotranslator) justieren, so dass die Lichtflecke von Mess- und

Referenzstrahl an der Wand zur Überlagerung kommen.

Zur Beobachtung des entstehenden Interferenzstreifenbildes kann die Linse

f = 30 mm am Interferometerausgang in den Strahlengang gebracht werden, um den Strahl

aufzuweiten.

Sind Interferenzstreifen sichtbar, wird der Multimode-Abtastkopf vor der Linse an den

Interferometerausgang gebracht.

Die beiden Fasern des Tastkopfes führen in der Interferometer-Auswerteeinheit auf

photoelektrische Empfänger, deren Signale dann zu den Eingängen des Oszilloskops geführt

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werden. Die entstehende Lissajous-Figur entspricht einem Kreis, wenn die Signale der

Photoempfänger reine sin/cos-Signale sind. Abweichungen der Phasenlage der

Interferometersignale von 90° führen zu Phasenfehlern bei der interferometrischen

Längenmessung. Die Phasenlage auf dem Empfänger kann durch Justage des Messspiegels

(Planspiegel 2) oder durch Drehung des Abtastkopfes eingestellt werden.

Über den Frequenzgenerator und die 3-Kanal-Spannungsversorgung kann der Piezotranslator

am Planspiegel 2 mit einer Sinusschwingung angeregt und weiterhin im Bereich von 0 bis

6,3 µm verschoben werden. Zur Auswertung und Ablesung der interferometrischen

Längenmesswerte dient die Anzeigeeinheit des Interferometersystems.

Aufgaben:

• Es soll eine Längenänderung von λ/2 (eine Umdrehung der Lissajousfigur bei

ausgeschaltetem Schwinger) mit ca. 10 Messpunkten aufgenommen werden. Diskutieren

Sie die Ergebnisse anhand der grafischen Darstellung. Die Längenänderung kann durch

Änderung der Piezospannung eingestellt werden.

• Der Messspiegel soll durch Änderung der Piezospannung im gesamten Verfahrbereich

bewegt werden. Untersuchen Sie, ob eine Hysterese auftritt! Dazu sind mehrere

Messreihen aufzunehmen und die Piezospannung gegenüber den Längenmesswerten

darzustellen. Beobachten Sie die Qualität der Lissajousfigur bei der Verschiebung.

5. Literatur Vorlesung „Fertigungs- und Sensormesstechnik“

Haferkorn,H.:

Optik: physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen, 3.,bearb. und erw. Aufl. - Leipzig; Berlin; Heidelberg: Barth, 1994

Tschirnich, J.:

Fehlereinflüsse bei interferentiellen Längenmessungen mit Lasern, Feingerätetechnik – 25. Jg., Heft 7/1976, S. 304-306

Eichler, J.; Eichler, H.-J.:

Laser: Grundlagen, Systeme, Anwendungen, 2., korr. Aufl. – Springer-Verlag Heidelberg, 1990

VDI / VDE – Gesellschaft Meß- und Regelungstechnik:

Dokumentation Laserinterferometrie in der Längenmeßtechnik, VDI-Verlag – Düsseldorf, 1985 (VDI-Berichte 548)

VDI / VDE – Gesellschaft Meß- und Regelungstechnik:

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Dokumentation: “Genauigkeit von Laserinterferometer-Systemen, Grundlagen, Prüfmethoden, Grenzwerte, Sicherheit, Beurteilung” VDI-Verlag – Düsseldorf, 1989 (VDI-Berichte 750)

Glaser, W.:

Lichtwellenleiter – Eine Einführung, 2., bearb. Aufl., VEB Verlag Technik, Berlin, 1986

Bimberg, D.: Meßtechniken mit Lasern: Interferometrie, Holographie, Anemometrie, Speckles expert-Verlag, 1993 (Kontakt & Studium; Bd. 378)

Kneubühl, F.K. / Sigrist, M.W.: Laser, 3., überarb. Aufl. – Stuttgart: Teubner, 1991 (Teubner-Studienbücher: Physik)