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Bewertung und Optimierung eines Verfahrens zum Einsatz einer Multimode-Stufenindexfaser als Interferometerlichtquelle

01.12.2013

Durch Schwingungsanregung eines ringförmig gewickelten Bereiches am Ende der Faser wird die Modenstruktur am Faserausgang im Zeitmittel zerstört (Scrambling). Die Stellparameter für das Mode-Scrambling wurden untersucht, eine stabile Anordnung aufgebaut und ein Kriterium zur Beurteilung der Wirksamkeit des Scramblings abgeleitet.


In eine Multimodefaser eingekoppelte Laserstrahlung weist am Ausgang der Faser eine stark strukturierte Intensitätsverteilung auf. Diese Verteilung wird durch die Überlagerung der Ausbreitungsmoden der Laserstrahlung in der Faser hervorgerufen. Diese verändert sich durch äußere Einflüsse auf die Faser und ist daher zeitlich nicht stabil.


Bild 1: Intensitätsverteilung am Ausgang einer Stufenindexfaser mit Durchmesser von 200 µm

Wird der Ausgang einer Multimodefaser als Lichtquelle für ein Interferometer verwendet, führen diese zeitlichen Veränderungen der Intensitätsverteilung im Querschnitt der Lichtquelle zu Fehlern bei der Messung.

Um die im Interferometer gemessene relative Signalverteilung über das Messfeld zu jedem Zeitpunkt konstant zu halten, wird die Struktur der Intensitätsverteilung am Faserausgang im Zeitmittel der Integrationszeit der Messkamera zerstört (Mode-Scrambling). Dies kann man über schnelle Deformationen/Bewegungen der Faser erreichen (s. Bild 2). Dazu wird ein aufgewickelter Faserabschnitt durch eine angekoppelte schwingende Lautsprechermembran gezielt deformiert (Bild 3).


Bild 2: Intensitätsverteilung am Faserausgang mit Mode-Scrambling.


Bild 3: Ausschnitt zeigt ca. 4 m aufgewickelte Faser ohne Schutzmantel, die auf einer Lautsprechermembran befestigt ist.

Die Wirksamkeit des Scramblings lässt sich anhand der Differenz zweier zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommener Intensitätsverteilungen beurteilen. Dafür wird jede Verteilung zuvor auf den Mittelwert über ihre Fläche normiert. Als Gütekriterium sind der Maximalwert dieser Differenz oder die Standard-abweichung nur bedingt geeignet. Besser ist eine Betrachtung des Ortsfrequenzspektrums der Differenz (FFT-Betrag(Intensitätsdifferenz) vs. 1/Länge). Der mittlere Anstieg Q der Spektralkurve F bei kleinen Ortsfrequenzen µ verringert sich mit zunehmender Wirksamkeit des Mode-Scramblings und ist damit ein geeignetes Gütekriterium (s. Bild 4).




Bild 4: Ortsfrequenzspektren von Intensitätsdifferenzen bei schwachem (blau) und stärker wirksamem Mode-Scrambling (grün, rot).

Anhand dieses Anstiegs als Gütekriterium konnte die Existenz von Eigenfrequenzen der Schwingungsanregung mit erhöhter Scrambling-Wirkung (Bild 5) und der Einfluss von Schwingungsamplitude und Kamerabelichtungszeit auf die Scrambling-Wirkung gezeigt werden.


Bild 5: Einfluss der Frequenz der anregenden Schwingung auf die Güte des Mode-Scramblings.