Experimentelle Untersuchung der Kopplung eines optischen dielektrischen Mikroresonators mit einem Kapillarlichtleiter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Optische Mikroresonatoren haben großes Potential als Mikrosensoren oder frequenzselektive Mikrobauteile. Eine praktische Nutzung dieser Möglichkeiten scheiterte bisher daran, dass keine einfache, zuverlässige Methode zur Kopplung dieser Resonatoren mit der Anregungslichtquelle und dem Detektor zur Verfügung stand. Bisher veröffentlichte Untersuchungen beschränken sich auf Laboraufbauten. In dieser Arbeit wurde die Kopplung solcher Resonatoren mit Hohllichtleitem untersucht. Der Resonator wird dabei in das eine Ende des Hohlleiters eingeführt. Der Hohlleiter dient zur mechanischen Fixierung, zur Anregung des Resonators und zur Auskopplung aus dem Resonator. Ein wesentlicher Teil der Untersuchungen befasste sich mit der Herstellung verschieden ausgeformter Faserenden. Dabei konnte eine Methode zur kontrollierten konischen Ausformung des Faserendes erfolgreich entwickelt werden. Versuche den direkten Kontakt zwischen Hohlfaser und Resonator zu vermeiden oder zu reduzieren (Stegkoppler) waren hingegen nicht erfolgreich. Mit einer Verringerung des Kontaktes sollte eine Reduzierung der Störung der Resonanzen erreicht werden. Die Eignung verschiedener Ausformungen des Faserendes zur Anregung des Resonators und zur Auskopplung der Resonanzen aus dem Resonator wurde ebenso untersucht, wie die Eignung unterschiedlicher Resonatormaterialien. Die untersuchten Resonatormaterialien zeigten keine signifikanten Unterschiede. Als gut geeignet erwies sich eine durch Ätzen hergestellte konische Ausformung des-Faserendes. Dies hat den Vorteil, dass größere Toleranzen im Durchmesser des Resonators zulässig sind. In einem gewissen Durchmesserbereich passt der Resonator sozusagen immer. Diese Methode hat auch den großen Vorteil, dass sie unempfindlich gegenüber Modensprüngen in der Anregungsfaser ist, da die Ein- und Auskopplung entlang des gesamten Resonator- und Faserumfangs erfolgt. Allerdings werden die Resonanzen durch den direkten Kontakt gestört. Die Untersuchungen haben aber gezeigt, dass die Güte des Gesamtsystems fiir Sensoranwendungen ausreichend ist. Dies wurde am Beispiel der Resonanzverschiebung durch Temperaturänderung untersucht. Sozusagen als Nebenprodukt wurde bei der Analyse des Strahlungsfeldes der Hohlfaser ein auf der geometrischen Optik basierendes Modell zur Strahlausbreitung in Multimodenfasem bei schiefer lokaler Einkopplung entwickelt und experimentell untersucht. Dieses Modell wird auch zur Analyse des Strahlungsfeldes von Hohlfasem eingesetzt. Schließlich wurde noch eine Methode zur Erzeugung strahlungsfreier Bereiche, die völlig von Strahlung eingeschlossen sind, entwickelt. Diese Methode soll zu optischen Levitierung von reflektierenden, zum Beispiel metallischen Mikropartikeln eingesetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Temperature sensing by using whispering gallery modes with hollow core fibers, Optical Fiber Sensors 20, Edinburgh, 5.10.2009-9.10.2009
Bilal Ozel, Ralf Nett, Thomas Weigel and Prof. Gustav Schweiger
