Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Analyse von Substanzen an oder nahe der Oberfläche eines optischen Sensors mit mindestens einer wellenleitenden Schicht und mindestens einem multidiffra tiven Gitterkoppler zur Ein- und Auskopplung von Lichtstrahlen.

Derartige Anordnungen werden nach dem Stand der Technik zur Analyse von Substanzen nahe der Sensor-Oberfiäche eingesetzt. Sie finden vielfältige Anwendung bei der Bestimmung physikalischer oder chemischer Meßgrößen [3-5,10- 1 1 ]. Die Wirkungsweise der Sensoren beruht auf der Wechselwirkung der geführten Lichtwellen mit dem Medium an und nahe der Sensor-Oberfläche. Auf dieser Basis sind solche Sensoren in Kombination mit einer Anordnung zum Betrieb als universelle Spektrometer einsetzbar, da Brechzahl und Absorption des Mediums in der Nähe der Sensor-Oberfläche bestimmbar sind. Bekannt sind auch Anwendungen in der Affinitäts-Sensorik [5], hier binden die nachzuweisenden Moleküle selektiv an die Sensoroberfläche und werden über die Wechselwirkung mit der geführten Welle nachgewiesen.

Der Einsatz von einem oder mehreren Gitterkopplern zum Ein- und/oder Auskoppeln der geführten Wellen ist Stand der Technik [1.2].

In [8] ist die Verwendung eines Gitterkopplers beschrieben, welcher zur Einkopplung dient. Die bei Erreichen der Resonanz auftretenden geführten Wellen werden durch Detektion des seitlich aus dem WL austretenden Lichts nachgewiesen. Dieses Verfahren stellt hohe Anforderungen an die Planarität des Wellenleiters und die Genauigkeit der Winkelverstellung, was für eine wirtschaftlich günstige Anwendung von Nachteil ist.

Auch die in [6] beschriebene Ausführung dieses Verfahrens mit Bestimmung des Autokollimationswinkels erfordert eine sehr genaue mechanische Winkelverstellung.

Eine Winkelverstellung kann entfallen, wenn ein Gitter zur Auskopplung verwendet wird und die austretende Strahlung auf einen oder zwei ortsempfindliche Detektoren geführt wird, wie in [7] beschrieben. Bei diesem Verfahren ist jedoch eine Einkopplung der geführten Wellen über die Endfläche des Wellenleiters notwendig. Dies ist wegen der notwendigen Präparation der Endflächen sowie Genauigkeit der Positionierung des Sensors bei der Einkopplung von Nachteil. Auch bei der in [14] beschriebenen Ausführung dieses Verfahrens sind diese Nachteile anzuführen. Weiterhin ist beim Verfahren nach [14] die Einkopplung von zwei Lichtquellen aus unterschiedlichen Richtungen notwendig. Damit wird der Aufwand für die Endflächen-Kopplung noch erhöht. Darüber hinaus ist der Einfluß von Temperatur- Veränderungen auf die Meßwerterfassung von Nachteil, wenn die geführten Wellen den Sensor in unterschiedlicher Richtung durchlaufen.

Ein Spektrometer auf Basis von optischen Wellenleitern mit Gitterkopplern wird in [9, 13] beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Änderungen des Absorptionseigenschaften an der Wellenleiter-Oberfläche für verschiedene Wellenlängen bestimmt.

Eine bekannte vorteilhafte Ausführung eines Gitterkopplers ist der multi-diffraktive Koppler [1 1 ], speziell der bidiffraktive [15]. Mit einem solchen Verfahren können die ausgekoppelten Wellen hintergrundfrei detektiert werden.

Es ist bereits bekannt [7], zum Nachweis chemischer Substanzen eine die nachzuweisende Substanz enthaltende Probe mit der wellenleitenden Schicht eines optischen Schichtwellenleiters in Kontakt zu bringen, kohärentes Licht in die wellenleitende Schicht einzukoppeln, als Lichtwelle in diesem zu führen und wieder aus der Schicht auszukoppeln, wobei in der Ebene der wellenleitenden Schicht ein Beugungsgitter zum Ein- und Auskoppeln des Lichts vorgesehen ist. Es können zwei kohärente (z.B. orthognonal polarisierte) Lichtstrahlen simultan in den Schichtwellenleiter eingekoppelt werden und duch Interferenz von zwei ausgekoppelten Teilstrahlen, welche von den beiden im Wellenleiter gemeinsam geführten (z.B.orthogonal polarisierten) Lichtwellen erzeugt werden, die relative Phasenlage in Form einer Phasendifferenz der beiden eingekoppelten Lichtfelder gemessen werden, bzw. die relative Intensität der ausgekoppelten Lichtfelder bestimmt werden [1 1 ].

Mit Gitterkopplern läßt sich ein kohärentes Lichtfeld auf einfache Weise in einen Wellenleiter ein- bzw. auskoppeln, wobei man ohne eine fokussierende Optik auskommt. Das Lichtfeld wird eingekoppelt, wenn es unter einem bestimmten, von der Gitterperiode und der effektiven Modenbrechzahl abhängenden Einfallswinkel auf die mit dem Gitterkoppler versehene Region des Wellenleiters auftrifft. Wird die Ein- und Auskopplung mit einer sog. mulitdiffraktiven Gitterstruktur vorgenommen, können die Beugungswinkel und die Intensitäten der einzelnen Beugungsordnungen unabhängig voneinander variiert werden. Der im Wellenleiter geführte, ausgekoppelte Teilstrahl kann von reflektierten, transmittierten oder direkt gebeugten Teilstrahlen separiert werden, obwohl die Regionen auf der wellenleitenden Schicht, in denen das Ein- und Auskoppeln der Lichtfelder erfolgt, teilweise überlappen.

Mögliche Ausführungsformen des Sensors sind in [1 1 ,16] beschrieben. In den Sensor sind zwei Lichtfelder einzukoppeln, abhängig von der Ausführung mit unterschiedlicher oder gleicher Polarisation.

ln [12] wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein in den Sensor integriertes Gitters sowohl zur Ein- wie auch zur Auskopplung dient. Notwendig sind eine fächerförmige Beleuchtung zur Einkopplung sowie eine mechanische Blende im Auskoppelstrahlengang zur Unterdrückung des reflektierten Lichts. Von Nachteil ist hier die notwendige Positionierungs-Genauigkeit der Blende, die von der Flächennormalen stark abweichenden Ein- und Auskoppelrichtungen sowie die stark unterschiedliche Beugungsintensität in den verschiedenen Ordnungen der geführten Wellen. Beschrieben wird in [12] auch die Verwendung eines nach der Linse angeordneten Planspiegelsystems vor dem Detektor zur Verringerung der Baulänge.

Die Erfindung geht nunmehr von der Aufgabe aus, eine Winkelseparation der ein-und ausgekoppelten Strahlen sowie eine Trennung der ausgekoppelten Strahlen von am Sensor reflektierten Strahlen zu erzielen.

Die Aufgabe wird mittels einer Anordnung gelöst, die die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 ,27,34 und 36 aufweist. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die ausgekoppelten Strahlen sind nach langen Strahlenwegen winkelmäßig separiert und gut auswertbar.

Lange Strahlenwege werden beispielsweise durch Faltung erzeugt.

Überraschend stellte sich heraus, daß die erfindungsgemäßen Winkelkonfigurationen Winkelkonfiguration , insbesondere bei kleinen Differenzen der Winkel der ausgekoppelten Strahlen, besonders unempfindlich gegen leichte Verkippungen des Sensors um die Horizonzalebene ist, was vor allem bei einem Sensorwechsel von großer Bedeutung ist.

Die Winkeiverstellung wird durch leichte Strahlkonvergenz der eingekoppelten Strahlen deutlich erleichtert.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die kompakte Ausführung des Strahlführungssystems in einem integrierten Modul, in dem alle zur Verwendung des Sensors notwendigen Lichtstrahlen eingekoppelt, ausgekoppelt und detektiert werden können.

Die ermöglichte Miniaturisierung ist auch aus Gründen der Stabilität gegen Umwelteinflüsse vorteilhaft (z.B.thermische Effekte, Vibrationen)

Als Lichtquelle kommt vorzugsweise eine Halbleiter- Laserdiode oder eine Superluminineszenz-Diode zum Einsatz, da diese direkt in den Auslesekopf integriert werden können. Beim Einbau ist eine Montage an der Außenseite eines die übrige Anordnung enthaltendenGehäuses besonders vorteilhaft, so daß bei einem Defekt der Lichtquelle die Halbleiter- Einheit ohne Öffnen des Gehäuses ausgetauscht werden kann. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung der Strahlungsdiode zusammen mit den notwendigen Einheiten zur Stabilisierung von Wellenlänge und Leistung (z.B. Referenz-Diode, Temperaturstabili¬ sierung) in einem gemeinsamen Gehäuse.

Dadurch kann die Temperaturstabilisierungs-Einheit mit geringer Wärmekapazität aus¬ geführt werden, so daß eine preiswerte Ausführung der notwendigen Versorgungs-Elektronik ausreicht.

Alternativ zu einer Laser- oder Superlumineszenz-Diode kann auch eine andere kohärente Lichtquelle zum Einsatz kommen, z.B. ein He-Ne-Laser. Um unabhängig von den Dimensionen der Lichtquelle die kompakte Bauform des Auslesekopfes beibehalten zu können, wird das Licht in diesem Fall dem Auslesekopf vorteilhaft über einen Lichtleiter zugeführt. Bei Einsatz einer Lichtquelle mit Lichtleiter-Zuführung an den Auslesekopf ist bei Verwendung einer Standard-Lichtleiterkupplung auch ein schneller Wechsel der Lichtquelle und Wellenlänge möglich.

Ein Teil der für die Strahlformung notwendigen optischen Elemente kann direkt in das Gehäuse der Laser- bzw. Superlumineszenz-Diode integriert werden, alternativ in die Steckkupplung für den Licht¬ leiter. Darüber hinaus können noch weitere Elemente zur Anpassung der Strahlparameter innerhalb eines die Anordnung enthaltenden Gehäuses angebracht werden, so auch hinter dem Strahlteiier. Durch die Verwendung zylindrischer Einheiten mit unterschiedlicher Brennweite senkrecht und parallel zur Einfallsebene sind z.B. auchastigmatische Strahlprofile realisierbar.

Die Aufteilung auf zwei unabhängige Lichtfelder zur Einkopplung der geführten Wellen in den Sensor erfolgt durch einen Strahl¬ teiler, z.B. in Form eines teildurchlässigen Spiegels oder eines holografischen Elements. Vorteil eines holografischen Elementes ist, daß beim nachfolgenden Strahlführungs- System Spiegel-Elemente eingespart werden können. Das Strahlführungs- System besteht aus mehreren Spiegeln, die das Licht für beide Einkoppelarme der Anordnung auf den Sensor leiten. Alternativ kann die Strahlteilung durch ein Glasfaser- Verzweigungs-Element realisiert werden.

Die Einstellung der Strahlparameter beider Einkoppelarme in der Sensorebene erfolgt durch eine fokussierende Optik. Dabei kann für die Fokussierung der beiden einzukoppelnden Lichtfelder eine gemeinsame Optik oder zwei separate Optiken eingesetzt werden. Durch die Verwendung zylindrischer Optiken sind unterschiedliche Strahlparameter senkrecht und parallel zur Einfallsebene realisierbar.

Zum Betrieb des optisch-wellenleitenden Sensors sind die Einkop¬ pelbedingungen für beide einfallenden Lichtfelder einzuhalten. Diese sind durch die effektiven Modenbrechzahlen der geführten Wellen und die verwendeten Perioden des Gitterkopplers festgelegt.

Änderungen der Einkoppelwinkel sind wegen der limitierter Chip-to-Chip Reproduzierbarkeit des Sensors not¬ wendig, weiterhin bei Änderung der effektiven Modenbrechzahlen bedingt durch Substanzen in der Nähe der Sensoroberfläche. Die Verstellung der Einkoppelwinkel kann durch Einbringen einer ortsveränderlichen Spaltblende in den jeweiligen Einkoppel- strahiengang durchgeführt werden. Eine Bewegung der Blende innerhalb der Einfallsebene läßt aus dem durch die Strahldiver¬ genz vorgegebenen Winkelbereich einen Einkoppeiwinkel auswählen. Alternativ zu einer mechanisch linear bewegten Spaltblende kann ein Filter mit räumlich variabler Transmission eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich diese Blende durch ein Flüssig¬ kristall-Element mit zeilenförmig angeordneten, stabförmigen Bildelementen, Zeilenrichtung innerhalb der Einfallsebene, reali¬ sieren: Die jeweils transmittierenden Bildelemente definieren den Einkoppelwinkel. Bei dieser Lösung sind keine bewegten Teile für die Winkeleinstellung notwendig. Die Verstellung der Koppelwinkel ist für die beiden Einkoppelstrahlengänge unabhängig vorzunehmen, dazu können zwei separate oder ein gemeinsames Element zum Ein¬ satz kommen. Bei Verwendung eines gemeinsamen Elemtentes sind unterschiedlich ansteuerbare Bereiche für die beiden Einkoppel- stahlengänge vorzusehen, vorteilhaft für die Miniaturisierung und einen einfachen Aufbau ist hier, daß nur eine Haiterung notwendig ist.

Vorzugsweise werden die LCD-Einheiten in der Nähe des Fokus- sierungs-Elemtentes positioniert, damit können Abweichungen des Strahlprofils in der Sensorebene von einer Gaußverteilung minimal gehalten werden. Vorteilhaft für ein Gauß-ähnliches Strahlprofil ist weiterhin, bei den stabförmigen Bildelementen der Flüssig¬ kristall-Einheit mehr als zwei verschiedene Transmissionswerte einzustellen. Durch eine solche abgestufte Transmissions-Charak¬ teristik können die durch Beugung an der Blende bedingten Neben- maxima in der Sensorebene reduziert werden.

Alternativ zu den LCD-Einheiten können auch einfache mechanische Verstelleinheiten verwendet werden.

Besonders vorteilhaft sind schwenkbare planparallele Glasquader als strahlversetzende Einheiten, deren Strahlversatz nach Durchlaufen eines Abbildungselementes zu einer Strahlrichtungsänderung führt.

Für eine einfache und preiswerte Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei der die zur Verstellung der Einkoppelwinkel notwendigen LCD- oder mechanischen Elemente vollständig entfallen können.

Voraussetzungen für diese einfache Ausführung sind, daß durch enge Toleranzen des Sensors sowie beschränkte Änderungen der effektiven Modenbrechzahlen beim Betrieb des Sensors sichergestellt ist, daß mögliche Änderungen der Einkoppelwinkel innerhalb des Konvergenzwinkels der einfallenden Lichtfeider liegen.

Bei optisch-wellenleitenden Sensoren mit einem oder mehreren integrierten optischen

Beugungsgittern definiert die Ausrichtung der Gitterlinien die Ausbreitungsrichtung der geführten Wellen.

Zusammen mit der Wahl eines Ortes für die Einkopplung wird dadurch die Einfalls-und

Ausfallsebene für die ein-und ausgekoppelten Lichtfeider festgelegt.

Die Ein- und Auskopplung von Licht auf der der Sensoroberfläche abgewandten Seite des Wellenleiters ist besonders vorteilhaft, weil damit das Heranführen der zu analysierenden Substanz an die Sensoroberfläche stark vereinfacht wird. Die Anordnung zum Betrieb des Sensors kann somit einfach von der Vorrichtung zum Heranführen der Substanzen getrennt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, die ein- und ausgekoppelten Strahlungsanteile in unterschiedlichen Quadranten der Ein-und Auskoppelebene zu führen.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung werden die ausgekoppelten Lichtfelder mit einem abbildenden System auf einen ortsauflösenden Empfänger geführt. Die Abbildung ist vorteilhaft, da sich geringe Richtungsänderungen der ausgekoppelten Lichtstrahlen nicht auf die Meßgröße auswirken. Für diese Abbildung können eine oder mehrere Linsen oder Spiegel verwendet werden. Die Ausführung mit einem abbildenden Element ist besonders einfach.

Bei Verwendung von zwei oder mehreren abbildenden Elementen, vorzugsweise als doppelte Kollimatoranordnung, können Teilbereiche des Strahlengangs mit im wesentlichen parallelen Licht realisiert werden, Filterelemente können vorteilhaft dort eingebracht werden.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Kombination aus Faltung und Abbildung über abbildende Spiegel.

Die teleskopische, vorzugsweise telezentrische Ausführung des Abbildungssystems ist vorteilhaft, da auf diese Art eine geringe Empfindlichkeit bezüglich Abstandsänderungen zwischen Sensor und Anordnung erzielt werden kann. Diese Abbildung kann hierbei durch sphärische, asphärische oder zylindrische Spiegel oder ihre Kombination erzeugt werden.

Der Abbildungsmaßstab kann senkrecht und parallel zur Ausfallsebene unterschied¬ lich gewählt werden. Der Maßstab in der Ebene ist auf die Orts¬ auflösung des Detektors abzustimmen, der Maßstab senkrecht zur Ausfallsebene auf die Höhe der Bildelemente des Detektors. Da Änderungen des Abbildungsmaßstabs parallel zur Ausfallsebene die Genauigkeit der Meßwerterfassung vermindern, ist bei der Auswahl der Materialien für den Auskoppelstrahlengang ein Abgleich der thermischen Ausdehung der einzelnen Bauelemente vorteilhaft. Durch diese homologe Ausdehung wird eine optimale Temperaturstabilität des Abbildungsmaßstabs erreicht. Die für die Abbildung notwendigen Elemente können als Spiegel, Linsen, Fresnel- Linsen oder holografische optische Elemente ausgeführt werden.

Eine Auswertung der Phasendifferenz zwischen TE- und TM-Mode der im Sensor geführten und ausgekoppelten Wellen mit Hilfe eines ortsauflösenden Detektors erfordert wie bereits vorgeschlagen durch das Einbringen eines polarisierenden Elements, z.B. eines Polarisationsfilters, in den Auskoppelstrahlengang, um die beiden Moden zur Interferenz zu bringen.

Alternativ zur Phasendifferenz-Bestimmung können mit den ausgekoppelten Lichtfeldern auf dem ortsauflösenden Detektor Absorptionsmessungen durchgeführt werden. Bei dieser Meßmethode erlaubt die Messung der Dämpfungseigenschaften der geführten Welle Rückschlüsse auf Substanzen nahe der Sensor¬ oberfläche.

In diesem Fall kann das ausgekoppelte Licht für einen der beiden Moden der geführten Welle ausgemessen werden.Während der Messung ist jeweils nur ein Mode eingekoppelt . Es sind jedoch auch Relativmessungen bei Einkopplung und Messung beider Moden möglich.

Eine besonders einfache Messung der Phasendifferenz zwischen TE- und TM-Mode ist möglich, falls statt der Abbildung auf einen ortsaufiösenden Detektor eine Fokussierung der ausgekoppelten Lichtstrahlen auf einen oder mehrere ortsempfϊndliche Detektoren (PSD) erfolgt. Dabei erzeugt der TE- und TM-Mode je einen Fokus in der Detektorebene. Gemessen wird der Abstand der beiden Foki.

Dieses Meßprinzip hat den Vorteil, daß Richtungsänderungen der ausgekoppelten Lichtstrahlen, welche durch kleine Verkippungen des Sensors hervorgerufen werden, keinen Einfluß auf die Meßgröße haben.

Durch Verwendung von PSD's ist eine einfachere und preiswertere Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, da sowohl die Kosten für die Detektoren als auch für die notwendige Elektronik deutlich geringer sind als für die Ausführung mit ortsauflösenden Detektor. Mit diesem reduzierten Aufwand läßt sich nur eine gegenüber der ortsauflösenden Ausführung reduzierte Empfindlichkeit realisieren.

Bei Verwendung von einem einzelnen PSD ist zur Messung der Phasendifferenz von TE- und TM-Mode eine alternierende Einkopp¬ lung der beiden Lichtfelder notwendig. Dies erfordert eine der oben beschriebenen Möglichkeiten zur Verstellung der Einkoppel¬ winkel, so daß wahlweise die Einkoppelbedingung nur für eine der beiden Moden erfüllt wird. Bei Verwendung von mehr als einer PSD- Einheit kann durch die Dimensionierung des Gitterkoppiers sicher¬ gestellt werden, daß die ausgekoppelten Lichtfelder auf verschie¬ denen PSD's liegen. In diesem Fall kann kontinuierlich für beide Moden der Abstand der Schwerpunkte der beiden Foki gemessen werden, so daß keine Zeitdifferenzen bei der Messung z.B. durch das Umschalten der Einkopplung auftreten.

Die zur Fokussierung notwendigen Elemente können, wie oben beschrieben, als abbildende Spiegel, als Linsen,

Fresnel-Linsen oder holografische optische Elemente ausgeführt werden.

Verschiedene Brennweiten der Fokussierung parallel und senkrecht zur Einfallsebene des Detektors können zweckmäßig verwendet werden, um einen für die räumliche Auflösung des

Detektors optimalen Durchmesser des Strahlflecks einzustellen.

Alle oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung bieten gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß die Anforderungen an die Temperatur- Stabilisierung deutlich reduziert sind. Die geführten Wellen durchlaufen den Sensor in derselben Richtung, so daß durch die differentielle Messung der effektiven Modenbrechzahlen Temperaturdrifts in guter Näherung kompensiert werden. Weiterhin sind die Anforderungen an die Positionierung und mechanische Stabilität des Sensors deutlich geringer als bei Gitterkopplern nach dem Stand der Technik, da keine Winkelmessungen der ausgekoppelten Lichtstrahlen relativ zur Wellenleiterebene erfolgen. Ein weiterer Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Verkippungen des Sensors relativ zur erfindungsgemäßen Anordnung.

Die kompakte Bauweise ist vorteilhaft, weil dadurch eine geringe Empfindlichkeit gegen Temperaturänderungen und Vibrationen erreicht wird und die erfindungsgemäße Anordnung als Modul einfach in Analysensysteme zu integrieren ist.

Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Anordnung speziell bei der Verwendung eines bidiffraktiven Kopplers den Vorteil, daß keine Endflächen-Einkopplung notwendig ist und daß eine kleine Verschiebung des Sensors in der Ebene des Wellenleiters keinen Einfluß auf die Koppeleigenschaften und die Meßwerterfassung hat.

Die Erfindung und weitere Wirkungen und Vorteile werden nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig.1 : Einen Schichtwellenleiter als Bestandteil eines optischen Sensors mit eingekoppelten, ausgekoppelten und reflektierten Strahlungskomponenten Fig.2: Den gesamten Strahlengang der erfindungsgemäßen Anordnung Fig.3: Den Einkoppelstrahlengang Fig.4:Eine weitere Ausführung der Einkopplung Fig.5:Eine Ausführung der Winkeijustierung der Einkoppelstrahlen Fig.6:Eine weitere Ausführung der Winkeljustierung Fig.7:Den Auskoppelstrahlengang bei Interferenzauswertung Fig.8: Den Auskoppelstrahlengang mit PSD-Auswertung Fig.9: Die Einkopplung mit drehbaren strahlversetzenden Einheiten Fig.:10:Einen gemeinsamen Träger für die optische Anordnung Fig.1 1 : Eine Variante der Strahlführung bei Absorptionsauswertung.

In Fig.1 ist schematisch ein Schichtwellenleiter 1 auf einem Substrat 1a dargestellt, der in bekannter Weise eine bidiffraktive Gitteranordnung 2 trägt. In den Schichtwellenleiter 1 werden zwei kohärente, orthogonal polarisierte Strahlenbündel T _e , T _m eingekoppelt, die zueinander einen Winkel α einschließen und in einem ersten Quadranten Q] der substratseitigen, von ein- und ausfallenden Strahlen aufgespannten Ebene liegen.

Die über die Gitteranordnung ausgekoppelten Strahlen T _ea , T _ma liegen im

Quadranten Q2 und schließen zueinander einen Winkel φ ein, der deutlich kleiner als der Winkel α ist.

Die ausgekoppelten Strahlen T _ea , T _ma liegen vorteilhaft beide innerhalb eines von den reflektierten Strahlanteilen T _{mr er} gebildeten Winkelbereiches, wodurch eine

Separation der reflektierten Strahlungsanteile von den ausgekoppelten

Strahlungsanteilen erreicht wird.

Der Winkel φ beträgt bei Interferenzauswertung weniger als 6 Grad, bevorzugt etwa

0,2-3 Grad und der Winkel α mehr als 6 Grad und liegt vorzugsweise in einem Bereich um 26 Grad plus/minus 20 Grad, besonders vorzugsweise in einem Bereich um 16 plus/minus 10 Grad.

Bei einem Winkel α größer 3 Grad , vorzugsweise 23 plus/minus 20 Grad oder 13 plus/minus 10 Grad beträgt φ weniger als 3 Grad, vorzugsweise 0.2-3 Grad oder 0.2-2 Grad.

Bei der Messung mittels eines ortsempfindlichen Detektionssystems liegt α oberhalb 2 Grad, vorzugsweise 22 plus/minus 20 Grad oder 12 plus/minus 10 Grad und φ bei weniger als 20 Grad, vorzugsweise von 0- 12 Grad oder 0-8 Grad

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Gesamtanordnung.

Das Licht einer Laserlichtquelle 3 wird über ein Einkoppelelement 5 in einen Lichtleiter 4 eingekoppelt und gelangt über ein Auskoppel-und Strahlformungselement 6 auf einen ersten Spiegel 7 und von diesem auf einen Polarisationsstrahlteiler 8, der das Licht in zwei Teilstrahlengänge T _e und T _m aufspaltet, die über Spiegel 9, 10 , strahlversetzende

Einheiten 1 1 ,12 sowie Abbildungssysteme 13,14 in den Schichtwellenleiter eingekoppelt werden.

Zwischen der Sensorebene 1 und der übrigen Anordnung ist ein optisches Fenster 33 zum Schutz vor äußeren Einflüssen vorgesehen.

Die Reihenfolge von Fokussierung 13.14 sowie strahlversetzenden Einheiten 1 1 , 12 ist permutierbar. Die Einkoppelwege für die beiden Strahlengänge sind mit möglichst gleicher Länge auszuführen, abhängig von der

Kohärenzlänge der Lichtquelle. Maximale Differenzen der optischen

Wege für beide Einkoppelstrahlengänge müssen kleiner als die

Kohärenzlänge der Lichtquelle sein, um die Interferenzfähigkeit der ausgekoppelten Moden sicherzustellen.

Die ausgekoppelten Strahlmoden T _ea und T _ma werden über eine gestrichelt dargestellte Abbildungseinheit 15, die beispielsweise, wie anhand Fig.7 näher erläutert, aus mehreren abbildenden Spiegeln besteht, einen Poiarisator 16 und einen Interferenzfilter 17 auf einen ortsauflösenden Empfänger 18, beispielsweise eine CCD- oder Diodenzeile, abgebildet.

In Fig.3 ist der Einkoppelstrahlengang vergrößert dargestellt.

Der Laserstrahl der Lichtquelle 3 wird mittels des Auskoppelelementes 6 so fokussiert, daß die Strahltaille in den Punkten P-| , P in einem Abstand im wesentlichender

Brennweite f von den Abbildungslinsen 13, 14 liegt.

Die strahlversetzenden Einheiten 1 1 ,12 sind vorzugsweise schwenkbare planparallele

Glasquader- oder Platten und bewirken in Abhängigkeit von ihrem Drehwinkel ß einen

Strahiversatz V, der nach Durchlaufen der Linsen 13,14 zu einer

Strahlrichtungsänderung führt, wobei der Einkoppeipunkt in der Sensorebene weitgehend stabil bleibt.

Zur Vermeidung störender Reflexionen ist eine leichte Neigung der Drehachsen gegen die Einfallsebene zweckmäßig.

Die eingekoppelten Strahlenbündel weisen dabei eine leichte Konvergenz auf.

Die Linsen 13,14 sind hierbei ebenfalls etwa im Abstand f vom Schichtwellenleiter angeordnet.

Der Strahlteiler 8 ist vorzugsweise als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet. Die Strahlteilung kann jedoch auch über einen teildurchlässig beschichteten Strahlteilerwürfel, ein holografisches Element oder ein Glasfaser-Verzweigungselement erfolgen.

Besonders vorteilhaft ist eine (nicht dargestellte) Integration der Srahlumlenkung 7 sowie der Strahlteilung 8 in einem Polygonprisma mit ggf. reflektierenden Flächen oder in einem integriert optischen Element

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform zu Fig.3, wobei über eine große Linse 19 beide Strahlkomponenten T _e , T _m eingekoppelt und in analoger Weise in ihrem Einkoppelwinkel verändert werden.

Hierbei ist es erforderlich, durch geeignete optische Umienkung (nicht dargestellt) die auf die Elemente 1 1 ,12 auftreffenden Teilstrahlen T _e , T _m zueinander im wesetlichen parallel zu führen.

Fig.5 zeigt eine weitere Methode der Winkelverstellung der eingekoppelten Strahlen. Die durch Linsen 22 aufgeweiteten Strahlenbündel T _e ,T _m leuchten den Querschnitt der Linsen 13,14 voll aus. Diesen sind steuerbare Spaltblenden 20, 21 nachgeordnet, die jeweils nur ein Teilstrahlenbündel passieren lassen, das je nach Blendensteilung einen veränderlichen Einkoppelwinkel hat.

Diese steuerbaren Spaltblenden können sowohl mechanisch als auch als LCD-Einheiten ausgeführt sein, bzw. als linear mechanisch verstellbare Blenden oder Filter mit ortsveränderlicher Transmissionscharakteristik.

Über die Veränderung der Brennweite der Linsen 13,14 und/oder die Spaltbreite oder ein variables optisches System wird die Einstellung der Fokusgröße in der Sensorebene vorgenommen.

Durch die Abmessungen und die Form des Spaltes wird die Form des Fokus beeinflußt.

Zum Ausgleich der in zueinander senkrechte Richtungen unterschiedlichen Fokusgröße wird in den Strahlengang vor der Spaltblende eine Korrektionsoptik, beispielsweise eine zylindrische Optik, eingefügt oder die Linsen 13,14, sind entsprechend ausgebildet.

Der Lichtquelle 3 kann auch ein entsprechendes Strahlformungssystem zur Anpassung der Strahlparameter nachgeordnet sein, das aus einer oder mehreren abbildenden Elementen besteht, die reflektiv, refraktiv, holografisch oder als Fresnellinsen ausgebildet sein können.

In Fig. 6 sind die Linsen 13,14 aus Fig. 5 durch eine gemeinsame Linse 19 ersetzt, wobei die Blenden 20.21 in einer gemeinsamen Anordnung, jedoch getrennt ansteuerbar, vorgesehen sind.

Analog Fig.4 werden hier zueinander im wesentlichenparallele Teilstrahlenbündel T _e ,T _m durch geeignete optische Mittel erzeugt und durchlaufen die Linse 19.

Fig.7 zeigt vergrößert die in Fig.2 dargestellte Abbildung der ausgekoppelten Strahlanteile Tea und T _ma auf einen ortsauflösenden Empfänger 18. Als Meßgröße wird wie bekannt die Änderung des räumlichen Interferenzmusters von T _e und T _m Mode aufgenommem und ausgewertet.

Das am Austrittsort entstandene Interferenzbild der ausgekoppelten Strahlanteile wird über zylindrische Spiegel 23,24 sowie sphärische Spiegel 25,26 als in der Zeichenebene vergrößertes Abbild auf den Zeilenempfänger projiziert.

Die zylindrischen Spiegel bewirken gleichzeitig eine Verkleinerung des Interferenzbildes senkrecht zur Zeichenebene und damit eine optimale Anpassung an die Detektor- Geometrie.

Die optische Abbildung auf die Empfängerzeile kann auch mit einem Linsensystem oder einer Kombination aus refraktiver und reflektiver abbildender Optik realisiert werden. Die refraktiven Elemente können als holografische Elemente oder Fresnellinsen ausgeführt werden, die unterschiedliche Abbildungseigenschaften in verschiedenen Richtungen haben können. Dadurch kann eine Anpassung an die Zeilengeometrie erzielt werden.

Vor dem Detektor 18 ist ein Polarisationsfilter 16 anzubringen, welcher die für das Meßverfahren notwendige Interferenz der ausgekoppelten Moden bewirkt. Weiterhin kann zur Unterdrückung von Fremdlicht ein spektral selektives Filter 17 vor dem Detektor angebracht werden.

Zwischen Sensorebene und allen optischen Bauelementen kann ein Fenster 33 zum Schutz vor Umwelteinflüssen angeordnet sein, das vorzugsweise eine beidseitig entspiegelte Platte ist.

Durch die innerhalb der Abbildungseinheit gefalteten Strahlengänge kann die Baugröße der Anordnung reduziert und der Empfänger von unerwünschter Strahlungsbeeinflussung ferngehalten werden.

Aus dem Interferenzbild auf der Zeile wird der Abstand der Interferenzlinien als Maß des Differenzwinkels zwischen den ausgekoppelten Strahlkomponenten T _ea , T _ma bestimmt , der wiederum durch die auf dem Schichtwellenleiter 1 befindliche Untersuchungssubstanz und ihre Brechzahl beeinflußt wird.

Durch die innerhalb der Abbildungseinheit gefalteten Strahlengänge kann die Baugröße der Anordnung reduziert und der Empfänger von unerwünschter Strahlungsbeeinflussung ferngehalten werden.

Durch Ausbildung der optischen Elemente aus Quarzglas, verbunden mit einem mechanischen Träger aus bezüglich seines Ausdehnungskoeffizienten angepaßtem Material, beispielsweise Invar, wird für des Abbildungsteil 15 eine hohe thermische Stabilität der Vergrößerung erreicht.

Die abbildenden optischen Elemente werden in den Trägerblock 31 aufgenommen, der

Bohrkanäie 32 für die optischen Strahlengänge aufweist.

Zur Kompensation von thermischen Beeinflussungen der auf der Zeile abgebildeten

Interferenzstruktur und des Empfängers 18 ist eine Buchse 34 aus einem Material mit geeignet vorgewähltem Ausdehnungskoeffizienten zwischen Trägerblock 31 und dem

Empfänger 18 angeordnet.

Der Ausdehnungskoeffizient der Buchse 24 bestimmt sich aus der Differenz des

Ausdehnungskoeffizienten der abbildenden Elemente und des Trägerblocks 31 sowie dem Längenverhältnis der in dem Trägerblock 31 und in den Bohrungen verlaufenden

Strahllängen.

Dies wird ergänzend anhand Fig.7a erläutert:

Zwei Bauteile 34 und 35 unterschiedlichen Materials, die nur an den Punkten 36 und 37 miteinander verbunden sind, sind ansonsten gegeneinander beweglich.

Durch die gegenläufige thermische Ausdehnung der Bauteile 34 und 35 ist es möglich, einen bestimmten " effektiven" thermischen Ausdehnungskoeffizienten für die gesamte

Halterung durch Wahl der Einzellängen und einzelnen Ausdehnungskoeffizienten einzustellen. Somit kann eine thermische Drift zwischen optischen Bauteilen und

Gehäuse gegen den Detektor praktisch volldtändig kompensiert werden.

Wird die Änderung des Differenzwinkels φ der ausgekoppelten Strahlmoden nicht über das Interferenzbild bestimmt, ist wie in Fig.8 ein positionsempfindlicher Detektor 27 vorgesehen, auf den über eine Linse 28 und ein Spiegelsystem 29 abgebildet wird, wobei der Detektor 27 im Abstand der Brennweite von der Linse 28 entfernt ist. Anhand der Differenz der Position der Auftreffpunkte wird die Winkeldifferenz bestimmt.

Die Linse 28 kann auch durch mehrere Linsen ersetzt werden, die auch als holografische Elemente oder Fresnellinsen ausgebildet sein können.

In einer alternativen Ausgestaltung des Auskoppelstrahlenganges wird für beide ausgekoppelte Lichtfelder ein Fokus in der Detektorebene erzeugt.

Zur Auswertung werden Änderungen des Abstandes der beiden Foki herangezogen.

Hierzu ist in Fig. 8 ein positionsempfindlicher Detektor 27 vorgesehen, auf den über eine Linse 28 und ein Spiegelsystem 29 abgebildet wird., wobei der Detektor im

Abstand der Brennweite von der Linse 28 entfernt ist.

In einem weiter möglichem Auskoppelstrahlengang, wird das austretende Licht durch eine Linse auf einen ortsempfindlichen Detektor fokussiert wobei in dieser

Ausführungsform des Auskoppelstrahlengangs der TE- und der TM-Mode je einen Fokus in der Detektorebene erzeugt und zur Auswertung des Abstands der beiden Foki auf dem Detektor die Einkoppelstrahlengänge durch geeignete optische Mittel, beispielsweise Verschlüsse, alternativ geschaltet werden.

Weiterhin können die ausgekoppelten Lichtstrahlen werden durch eine gemeisame oder zwei verschiedene Linsen auf zwei ortsempfindliche Detektoren fokussiert werden. Eine ausreichende Winkeldifferenz kann bei Verwendung eines Sensors mit bidiffraktivem Gitterkoppler durch die Wahl der Gitterkonstanten einfach erreicht werden. In dieser Anordnung können die Winkel der ausgekoppelten TE- und TM-Felder parallel erfaßt werden, so daß ein Umschalten der Einkoppeistrahlen entfallen kann, wie es bei der vorher beschriebenen Ausführungsform notwendig ist.

In Fig.9 werden mittels einer Ansteuereinheit 30 die strahlversetzenden Elemente 1 1 ,12 phasensynchron betätigt.

Auf dem Empfänger erscheinen in zeitlicher Folge Bilder der einzelnen Strahlkomponenten zu den Zeitpunkten der Kopplung der Strahlmoden T _e und T _m _

Die Signaldifferenz auf dem PSD ist ein Maß für den Differenzwinkel der ausgekoppelten Strahlen.

Durch Ausbildung der optischen Elemente aus Quarzglas , verbunden mit einem mechanischen Träger aus bezüglich seines Ausdehnungskoeffizienten angepaßten Material, beispielsweise Invar, wird für das Abbildungsteil 15 eine hohe thermische Stabilität der Vergrößerung erreicht.

Alternative Materialkombinationen mit angepaßtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten für optische Elemente/optischen Träger sind z.B. Nullausdehnungs-Glaskeramik (Zerodur, Kronglas/Grauguß, Borosilikatglas (BK7, UBK7), Kronglas/Keramik, Kronglas/Edelstahl, Kronglas/Messing.

In Fig. 10 ist die Anordnung der optischen Elemente und Strahlengänge in einem geschnitten dargestellten gemeinsamen Trägerblock 31 dargestellt, der Bohrkanäle 32 für die optischen Strahlengänge aufweist.

An einen gemeinsamen Trägerblock 31 sind die optischen Elemente gemäß Fig.2 außen angebracht, vorzugsweise verkittet.

Für die optischen Strahlengänge sind jeweils Bohrungen 32 vorgesehen.

Durch die definierte Lage der optischen Bauelemente zueinander wird eine insbesondere gegen auftretende Mikrofonie äußerst stabile Anordnung erreicht.

Mit der Auswahl der Materialien für die optischen Elemente (z.B. Glas, Quarzglas) und des Trägerblocks (z.B. Zerodur, Invar, aber auch Grauguß) nach dem thermischen

Ausdehnungskoeffizienten läßt sich eine optimale thermische

Stabilität der Anordnung realisieren.

Hierzu wird auf obige Ausführungen zur Materialwahl verwiesen.

In Fig. 1 1 ist eine Anordnung mit einem eingekoppelten Strahl dargestellt, die für eine Absorptionsmessung geeignet ist.

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