用于光学应用的装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于光学应用的装置，其具有：光波导体，在该光波导体上可连接有光源，其中，光波导体构造成使得从可连接的光源发出的光沿着光传播轴传播；在光波导体中的波长敏感的光栅结构；以及探测器，所述探测器布置成使得它们接收光源的由波长敏感的光栅结构散射的光的部分量。


背景技术：

2.用于光学应用的具有光波导体的装置以不同的方式已知。光源馈入的光在光波导体中被引导并且在其中沿传播方向传播。
3.在de4209672c1中已经描述了一种用于确定光学辐射的波长的装置，该装置利用具有波长选择性的光栅结构的光波导体工作。辐射在光栅结构上耦合输出并且落到所配设的探测器上，这些探测器是光谱仪的部分。us5,982,962a也示出类似的结构。
4.由us6,885,792b2已知一种用于监控光纤中的光波长的系统。在此，在光栅结构上耦合输出的光落到探测器上。
5.在us2007/0110367a1中描述了另一种用于监控具有光栅结构的光波导体中的光波长的系统。
6.越来越受到关注的是如下应用，在所述应用中涉及到更仔细地观察光源的光，所述光具有所关注的特定波长，但是已经受到特定影响。在这种情况下，例如应更仔细地观察强度最小值或强度最大值并且关注相应的光在该波长的范围内的光谱特性。
7.例如由de102017119810b4已知一种建议，其中这种光通过光入射开口被输送给光电芯片。在该芯片中倾斜于光传播轴布置有透射滤光器。该滤光器将入射光的部分量反射到第一探测器上，并且使另一部分量通过并且落到第二探测器上。然后，可以将这两个探测器的测量值彼此关联并且得出结论。
8.利用在那里所描述的结构，迄今在这种装置中通常可以不需要使用单独的分束器，因为滤光器同时承担该将射束分为两个部分的任务。尽管这种方案具有优点，但还是要用相当明显的射束分配和相对较大的结构元件来工作，并且提出如下问题，即替代的解决方案是否同样可以具有优势。
9.在光学应用中用于评估光波长的其它建议易受热干扰的影响并且提供依赖于环境条件的波动结果。一些普遍的问题也包括评估速度、通常复杂的光学结构和过大的结构元件。
10.为了其它应用目的，已知用于光学应用的具有光波导体的装置，所述光波导体利用所谓的光纤布拉格光栅工作，如其例如由wo1998/44366a1基本上已知并且也在wo2018/153868a1中描述的那样。在那里也描述了一种用于在光波导中的具有多个椭圆体的单个结构的光栅结构的特殊形状。


技术实现要素：

11.与此相对地，本发明的任务是，提出一种同类型的用于光学应用的具有光波导体的装置，该装置具有尽可能简单的结构，该结构不易受热干扰影响并且能够实现高频地评估波长。
12.所述任务借助本发明在这种类型的装置中通过以下方式来解决，即，在光波导体中的光栅结构由周期性布置的椭圆体的结构元件构成，其中，所述椭圆体的结构元件具有与光波导体的包围所述结构元件的材料不同的折射率，其中，所述椭圆体的结构元件具有长轴和短轴，所述长轴和短轴基本上垂直于光传播轴，使得根据波长由光栅结构散射的光的部分量从光波导体耦合输出并且落到探测器上，在所述探测器中的至少一个探测器与光波导体之间布置有吸收性的或部分反射性的滤光器，所述探测器具有用于光的入射到相应探测器上的部分量的强度的测量元件，设置有评估元件，该评估元件从多个探测器的强度比例确定波长，并且所述探测器布置成，使得所述探测器彼此相对地布置在光栅结构中的椭圆体的结构元件的长轴的不同侧上，或布置在光栅结构的椭圆体的结构元件的长轴的仅一侧上，其中，所述探测器分别定位成，使得所述探测器检测所观察的波长的不同的散射的衍射级，或设置有两组探测器，其中一组由至少两个探测器组成，该组的所述至少两个探测器彼此相对地布置在光栅结构中的椭圆体的结构元件的长轴的不同侧上，并且另一组探测器由至少两个探测器组成，该另一组的所述至少两个探测器布置在光栅结构的椭圆体的结构元件的长轴的仅一侧上，其中，所述探测器分别定位成，使得所述探测器检测所观察的波长的不同的散射的衍射级。
13.利用本发明完全脱离于de102017119810b4中的构想。代替在壳体内部构造和布置大尺寸的透射滤光器和探测器并且将所要检查的光整体上经由借助透射滤光器和部分透射的射束分配引导至探测器，取而代之的是：追求完全新的途径，并且借助光栅结构将光源的所要检查的光从光波导体中散射出来，并且将通过特定的光栅结构产生的散射图案用于力求将光的部分量朝探测器的方向引导。
14.以这种方式能够快速、稳固且可重复地确定光波导体中的光波长的变化。整个结构非常小并且不需要复杂的光学结构，而是仅需要对光波导体本身的修改以及一些在光波导体旁或在光波导体上作为附加的层施加的元件。这也意味着总体结构不太容易受到热干扰的影响，因为非常短的路径和间距导致在装置中的各位置之间实际上没有热差异。
15.在此利用特定的技术效果。强烈聚焦的飞秒激光辐射可以在光波导体(例如玻璃纤维、各种聚合物亦或由平面材料构成的平面层)中产生微观结构，所述微光结构散射在内部被引导的光。在这种飞秒激光辐射中激光焦点的典型几乎椭圆形的形状导致在以这种方式产生的椭圆体结构的长轴方向上明显优选的散射。
16.如果现在整体结构的多个这样的结构还具有周期性，则各个经散射的部分相互干涉。在光波导体中传播的特定波长的光然后通过所述多个椭圆体的结构几乎仅以特定的立体角散射。该立体角对应于不同级的布拉格条件的结构干涉。
17.根据由各个元件组装而成的光栅的周期性结构，可以针对特定的波长改变所产生的耦合输出的辐射的方向。在恰好为半个波长的周期中，光仅直接在光波导体的纤维内被反射，即以恰好180
°
衍射。这种特殊情况对应于常见的光纤布拉格光栅。具有恰好等于波长的间距的光栅结构附加地恰好产生垂直于光波导体的纤维出射的射束。如果观察周期性间
距为所传播的光的波长的1.5倍的光栅结构，则产生第二射束。如果现在观察光栅结构的单个元件的双倍间距，则产生第三射束，如此等等。
18.此外，通过相对简单地修改周期，射束本身可以被聚焦或散焦。在wo2018/153868a1中给出这种光栅结构的详细观察和修改，尽管出于其它目的。
19.所有提到的射束亦及用于光的所传播的部分量的两个优选的耦合输出方向通过同一光栅结构产生。这意味着，所述方向彼此限定地相互关联并且尤其是在所有射束上的部分量的强度彼此之间的比例也是恒定的。
20.现在根据本发明设置两个探测器，耦合输出的光应入射到这两个探测器上。在两个可彼此替代地应用的布置结构中，此时出现根据本发明的效果。
21.在第一种情况下需要两个不同的射束。在另一种情况下，使用光栅结构的一个特定散射级的两个优选的耦合输出方向。在两种情况下，探测器的测量与温度影响、波导体中的损耗亦或机械应力无关地进行，因为温度影响一样地作用于两个部分射束并且在光波导体中也根本不会出现损耗或机械应力或者在任何情况下两个部分量一样地出现。
22.这同样适用于在光波导体中可能出现的不同的偏振状态。
23.因此形成射束或者所传播的光的部分量的恒定强度比例。
24.因此，借助本发明能够实现确定在光波导体的纤维芯中引导和传播的光的光波长或光波长变化。该光在光栅结构上被散射。此外，至少一个波长选择性的滤光器被引入到在光栅结构与所述探测器之一之间的射束路径中。通过利用所传播的光的部分量或射束的恒定强度比例，测量所述两个探测器的按比例的与波长有关的强度变化。
25.如果现在所要检查的光波长改变，则所述两个探测器之间的信号的比例也改变。这是因为匹配选择的在射束路径中的滤光器或多或少地透射光，使得或多或少的光落到探测器上。在知道所选择的滤光器的光谱特性的情况下可以将相应的比例反算成光波长的变化。
26.在根据本发明的解决方案中特别有利的是可极度微型化。为此所需的光栅结构仅需采用数百个以上提及的椭圆体的结构元件。这导致，所述两个光束或所传播的光的部分量已经能够在最小的结构空间上彼此分离。以这种方式可设想实现用于分析仅几毫米的光波长的整体结构尺寸。
27.在从属权利要求中以及在下面的附图说明中给出其它优点和优选特征。
附图说明
28.在附图中详细示出了根据本发明的装置的不同实施方式。
29.在附图中：
30.图1示出本发明的第一实施方式的示意图；
31.图2示出本发明的第二实施方式的示意图；
32.图3示出本发明的第三实施方式；
33.图4示出本发明的第四实施方式；
34.图5示出本发明的第五实施方式；
35.图6示出本发明的第六实施方式；以及
36.图7示出本发明的第七实施方式。
具体实施方式
37.在图1中示出本发明的一种简化的实施方式的基本示意图。在此看到光波导体10在图平面中水平地延伸。
38.示意性地，在光波导体10的端部上可以设想可连接的光源11，该光源在此仅简要示出。
39.光从光源11发出到光波导体10中并且然后沿着光传播轴12在光波导体10中传播。
40.如进一步看出的那样，对于本发明的该实施方式重要的元件是光栅结构13。
41.光栅结构13布置在光波导体10的内部部分中，亦即布置在纤维芯10a中。纤维芯10a被外罩10b包围。
42.光栅结构13包括多个小的椭圆体的结构元件14。这些结构元件在此仅简要示出。这些椭圆体的结构元件14的纵轴(长轴)和短轴都垂直于光波导体10内的光传播轴12。
43.进一步示意性地示出，设置有总体上设有附图标记20的探测器组的至少两个探测器。探测器20位于光波导体10的外部并且也位于光波导体10的外罩的外部。
44.在所述两个探测器20与光波导体10之间存在滤光器组30的相应滤光器。在第一探测器21与光波导体10的外罩10b之间存在至少一个第一滤光器31。在第二探测器22与光波导体10的外罩10b的外侧之间设有可能的第二滤光器32。所传播的光的由光栅结构13散射和折射的部分量从光波导体10的芯10a穿过外罩10b和位于相应位置处的滤光器31或32被引导至布置在滤光器外部的探测器21或22。
45.经散射的光的部分量本身看来构成限定的射束并且在空间上彼此分隔开地传播，使得总是仅一个经散射的部分量入射到每个探测器20上。经散射的部分量在示意图中以不同的虚线示出。
46.由所述示意图还可以得出，此外在滤光器31和32与光波导体10之间可以布置有固定元件或占位件37，它们对于两个探测器21和22来说可以是相同的。
47.亦即，探测器基于滤光器31和32中的至少一个或两个以及光的不同部分量被加载并且可以由此得出关于在光波导体10中传播的光的波长的相应结论。
48.光栅结构13的各个椭圆体的结构元件14的间距应当大于所观察的波长的120％。该说明涉及光波导体10中的折射率。由此能够确保，所传播的光的两个级从光栅结构13中耦合输出。
49.此外，光波导体10与探测器20之间的间距应当这样大地选择，使得所使用的两个耦合输出级的各个射束也在空间上完全分离。为此，通常应该选择与光波导体10的芯10a内的整个光栅结构13一样大的间距。
50.为了实现该目的而提出，限定并且相应地选择上面提到的占位件37。
51.在图2中可以看到具有本发明的另一个实施方式的替代布置结构的示意图。然而所使用的元件基本上是相同的。
52.又看到具有芯10a和外罩10b的光波导体10。在芯10a的内部又存在具有椭圆体的结构元件14的光栅结构13，其中，为了更好的概览，在图2中省略这两个附图标记。
53.在外部围绕光波导体10的外罩10b又设置有具有滤光器31和32的层，并且在滤光器组30的滤光器31和32的外部安装有整个探测器组20的探测器21和22。
54.在图2的实施方式中，两个彼此相对置的探测器21和22检测入射的光。所述探测器
比较从光波导体10借助光栅结构13耦合输出穿过不同的滤光器31和32的光。
55.除了这些示意性的基本布置结构之外，使用本发明构思的更复杂并且因此更高效的实施方式也是可能的。
56.这样的实施方式例如可以在图3中看出。该实施方式构成一种具有多个散射的衍射级的多通道系统。
57.可设想，借助光栅结构13不仅产生两个级，而且产生三个级或更多个级。这些不同的级然后可以成像到探测器组20的不仅两个、而且更多个探测器上。作为探测器提出使用光电二极管，尤其是由多个光电二极管组成的阵列。但图像传感器的像素可以同样好地用作探测器20，如果这些像素足够大以便分别仅接收光的一个经散射的部分量。
58.通过使用一个或不同的滤光器30，利用探测器组20也能够评估在光波导体10中传播的光的多个不同的波长。
59.此外，如果产生多个级并且将其成像到不同探测器20上，则可以使用附加的不同类型的滤光器30，例如偏振滤光器。由此，除了所关注的波长及其变化之外，还可以附加地确定偏振的变化。
60.在图4中示出该构思的进一步改进方案。在这里，在一个示例性的实施方式中看出，借助第一耦合输出级以及探测器21和23的测量值之间的强度比例来查明在光波导体10中传播的光的波长的变化，其中，波长选择性的滤光器33已被定位在探测器23之前。
61.此外，然后可以借助第二耦合输出级和探测器22和24的强度比例根据波长的变化来测量偏振变化。为此，对两个线性地彼此垂直地定向的偏振滤光镜32和34进行定位。
62.在图5中描述了具有波长范围和多个探测器20的多通道系统。为了清楚起见，省略了探测器组20的附图标记。
63.在该实施方式中，其它经散射的部分量及其耦合输出角度尤其是与波长范围有关。例如，波长范围820nm至825mm的光和波长范围830nm至835nm的光可以在光栅结构13上这样被散射，使得其能够作为限定的射束彼此分开地通过不同的探测器20测量。在此，在一个实施方式中可以规定，多个探测器20分别并排地布置并且在此彼此稍微错开。在此，所述布置结构这样实现，使得探测器仅接收特定波长范围的耦合输出。每对探测器因此作为单独的测量通道起作用并且可以并行地使用。在此，一对的两个探测器中的一个探测器用作参照，而该对的另一个探测器用作待评估的信号。
64.在图6的另一个特别优选的实施方式中，光栅结构13的光栅周期(附图标记未标出)这样选择，使得沿相反的方向通过光波导体10传播的光针对所观察的波长对于所有级的而言沿不同的方向传播并且其因此能够彼此区分。
65.这对于光栅结构13中的参考光波导体10中的折射率为所观察的波长的50至90％亦及110至140％和170至180％的光栅点间距来说是可能的。
66.在此，在光波导体10的一端上可以直接耦合输入来自光源11的光，并且首先散射的光通过射束阱42消除。在光波导体10的进一步走向中，仅光的首先被透射的部分例如在光纤布拉格光栅41上被反射。探测器21、22被定向成，使得它们可以收集反射的信号的结构性散射方向。该实施方式构成具有附加光纤布拉格光栅41的极其简化且有利的传感器系统。这样的系统也可以被称为fbg传感器系统。
67.在图6中可以看到简化的传感器系统，其包括光源11和在光波导体10的端部处的
光纤布拉格光栅41以及具有光栅结构13、作为探测器20的光电二极管对并且具有滤光器30以及散射光阱42。在此，利用经散射的光的根据光传播方向的空间不对称性。
68.此外，利用光源11从光波导体10的一端照射光栅结构13以及在另一端沿着光波导体10定位一个或多个光纤布拉格光栅41是特别有利的。
69.可以使用led、sled、微型led或可调激光器亦或其它光源作为光源11。
70.在图7中示出多通道评估，在该多通道评估中使用所谓的多芯纤维作为光波导体10。
71.在作为光波导体10的多芯纤维中，可以并行地评估多个通道。为此，为光波导体10的每个芯10a配入单独的光栅结构13。此外分别放置有至少两个探测器20和至少一个滤光器30。
72.在一个有利的实施方式中，用于测量光波导体10的每个芯10a的至少一个光纤布拉格光栅41的这种多通道评估如在图6的实施方式中那样设计成双向的。从光源11传播出来的并且通过光波导体10的多个芯10a的光栅结构13的相应椭圆体的结构元件14耦合输出的光在散射光阱42中被消除。
73.由相应的光纤布拉格光栅41再次反射回来并且在光栅结构13上耦合输出的光发射到成对布置的探测器20上。
74.在图7中看到多通道传感器系统，其具有光源11和相应至少一个光纤布拉格光栅41和光栅结构13以及作为探测器20的具有滤光器30的光电二极管对和用于光波导体10的每个芯10a的散射光阱42。
75.通过探测器20或光电二极管对和在其前面的波长选择性的滤光器30的相应强度比例，可以测量每个玻璃纤维芯10a的光纤布拉格光栅41的波长的变化。
76.在图7中，探测器21和22以其测量值或其测量值的比例示出通过光纤布拉格光栅41'"的波长的变化。探测器23和24以所测得的强度的比例示出通过光纤布拉格光栅41"的波长的变化。探测器25和26以其对强度比例的测量示出通过光纤布拉格光栅41'的光波长的变化。
77.附图标记列表
78.10光波导体
79.10a纤维芯
80.10b光波导体10的外罩
81.11光源
82.12光传播轴
83.13光栅结构
84.14椭圆体的结构元件
85.20探测器组
86.21探测器
87.22探测器
88.23探测器
89.24探测器
90.25探测器
91.26探测器
92.30滤光器组
93.31滤光器
94.32滤光器
95.37占位件
96.41光纤布拉格光栅
97.41'光纤布拉格光栅
98.41"光纤布拉格光栅
99.41'"光纤布拉格光栅
100.42散射光阱。