Wie kommt es, dass eine gequetschte Glasfaser einen Peak in zwei Peaks verwandelt?
Eine Glasfaser, die durch äußere Kraft gequetscht wird (flachgedrückt), was dazu führt, dass „ein einzelner Peak im Reflexionsspektrum in zwei Peaks gespalten wird“, wird in der optischen Technik als stressinduzierte Doppelbrechung (Stress-induced Birefringence) bezeichnet.
Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse der physikalischen und mathematischen Mechanismen dieses Phänomens:
1. Isotropischer Zustand (unbelastet)
Wenn die Glasfaser keinerlei seitlichen Kräften ausgesetzt ist oder nur einer gleichmäßigen axialen Zugkraft, behält ihr Kernquerschnitt eine hohe radiale Symmetrie bei. Zu diesem Zeitpunkt sind die effektiven Brechungsindizes für Licht in zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen (d. h. x-Achse und y-Achse) identisch, nämlich:
n_x = n_y = n_{\text{eff}}
Gemäß der Bragg-Reflexionsgleichung für eine faseroptische Bragg-Gitter (FBG) erfüllt die reflektierte Wellenlänge:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
wobei \Lambda die Gitterperiode ist. Da die Brechungsindizes für die beiden Polarisationszustände gleich sind, werden die beiden polarisierten Lichter bei derselben Wellenlänge reflektiert, was sich auf dem Spektrum des Demodulators als einzelner, symmetrischer Reflexionspeak manifestiert.
2. Doppelbrechender Zustand (flachgedrückt)
Wenn die Glasfaser einem einseitigen seitlichen Druck ausgesetzt ist (flachgedrückt), verformt sich der ursprünglich symmetrische kreisförmige Querschnitt geringfügig, was zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung im Inneren der Glasfaser führt. Durch den photoelastischen Effekt (Photoelastic Effect) stört diese asymmetrische mechanische Spannung die Isotropie des Mediums, wodurch die effektiven Brechungsindizes in den beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen aufspalten und zu n_x und n_y werden.
Zu diesem Zeitpunkt weist die Glasfaser eine von Null verschiedene Doppelbrechung auf:
B = |n_x - n_y| \neq 0
Daher werden die beiden orthogonalen Polarisationskomponenten des einfallenden Lichts bei unterschiedlichen Wellenlängen eine Bragg-Reflexion erfahren:
\lambda_x = 2 n_x \Lambda
\lambda_y = 2 n_y \Lambda
Auf dem Spektrometer oder Demodulator spaltet sich der ursprünglich überlagerte Reflexionspeak in zwei getrennte Polarisationspeaks auf. Die Wellenlängendifferenz (Split-Abstand) zwischen diesen beiden Peaks beträgt:
\Delta \lambda = 2 |n_x - n_y| \Lambda
Die Größe dieser Wellenlängendifferenz \Delta \lambda ist positiv korreliert mit dem auf die Glasfaser ausgeübten seitlichen Druck.
3. Technische Auswirkungen und Präventivmaßnahmen
In industriellen Anwendungen hat dieses Phänomen der Peak-Aufspaltung unterschiedliche Auswirkungen:
- Schädliche Störungen: Bei der traditionellen Messung von Temperatur oder axialer Dehnung führt die Peak-Aufspaltung dazu, dass die Peak-Finding-Algorithmen des Demodulators (z. B. Schwerpunktmethode, Gaußsche Anpassung) eine Fehlinterpretation verursachen, was zu Sprüngen in den Daten, erhöhten Messrauschen oder sogar zum Verlust der Wellenlängenverriegelung führt.
- Physikalischer Schutz: Um eine spektrale Verzerrung durch seitliche Scherkräfte und direkten Druck zu vermeiden, muss das faseroptische Bragg-Gitter mit einer starren Struktur geschützt werden. Beispielsweise verwendet der OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor ein präzises nahtloses Edelstahlkapillar-Verkapselungsverfahren. Dieses Metallrohr kann die Übertragung äußerer seitlicher Drücke wirksam abschirmen und sicherstellen, dass der Kern stets in einem Zustand isotroper geringer Spannung bleibt, wodurch das Reflexionsspektrum einzeln und scharf bleibt.
