DE4125484C2 - Anordnung zur Messung von Brechungsindexveränderungen eines Mediums mittels Laserstrahlen - Google Patents

Description

In jüngster Vergangenheit sind äußerst kompakte Einfrequenzlaser bekannt­ geworden, bei denen Festkörperlasermaterialien mittels Halbleiter-Laserdio­ den optisch gepumpt werden. Diese Laser emittieren Strahlung sehr geringer Linienbreite in hochstabiler Weise. Aufgrund ihrer hohen Stabilität sind Ände­ rungen der Laserfrequenz durch äußere Einwirkungen wie z. B. durch Ände­ rung der Resonatorlänge oder der Temperatur mit hoher Genauigkeit meßbar.

Aus der DE 39 17 388 C1 ist ein Verfahren zur Messung der Änderung der Länge eines externen Resonators eines Lasers, einer Winkelabweichung einer den Reflektor des externen Resonators bildenden Fläche gegenüber der op­ tischen Achse des Resonators oder des Brechungsindex im externen Resona­ tor bekannt, bei dem der Strahl durch den externen Resonator hindurch auf den Reflektor fällt und von diesem wieder zurück in den Laser reflektiert wird. Dabei schwankt die Lichtintensität des Lasers bei monotoner Änderung der zu messenden Größe periodisch und aus der Anzahl der Perioden der Schwankungen der Lichtintensität wird die zu messende Änderung der Größe bestimmt. Die Erkennung der Richtung der Änderung der zu messenden Größe erfolgt dabei durch die Auswertung der richtungsabhängigen Signalform der auftretenden periodischen Schwankungen der Lichtintensität. Dies bedeutet, daß das bekannte Verfahren Brechungsindexmessungen durchführt durch Messung von Signalamplituden und/oder Zeitdifferenzen zwischen Pulsen.

Aus der DE 39 11 471 A1 ist ein heterodynes Verfahren zur refraktometri­ schen Messung des Brechungsindex eines Mediums und/oder zur Stabilisie­ rung der Wellenlänge oder der Frequenz mindestens einer kohärenten elek­ tromagnetischen Strahlung bekannt, wobei in einem Refraktometer mit mindestens einer geschlossenen Vakuumkammer als Referenz und minde­ stens einer vom wellenlängenverändernden Medium durchflossenen Meß­ kammer je ein Interferometer aufgebaut wird, deren Meßstrecken, d. h. die Kammerlängen, gleich lang sind und jedem eine kohärente Strahlungsquelle zugeordnet ist, wobei diese Strahlungsquellen untereinander optisch so gekoppelt sind, daß ihre Schwebungsfrequenz von einem Empfänger de­ tektiert werden kann und für jedes Interferometer mindestens zwei Empfän­ ger derart geschaltet sind, daß sie die Interferenzerscheinung örtlich fixieren und die Frequenz der kohärenten Strahlungsquellen regeln können, wobei die Anzahl der Interferenzen über beide Meßstrecken ganzzahlig ist und konstant bleibt, das Verhältnis ihrer Anzahl zueinander bekannt ist und das Verhältnis der Schwebungsfrequenz zur Trägerfrequenz das Maß für den Brechungsin­ dex ist. Auch dieses Verfahren bezieht sich also auf die Messung von Signal­ intensitäten, wobei auch von Frequenzänderungen der Laserstahlung gespro­ chen wird. Diese Frequenzänderungen werden jedoch nicht durch den Bre­ chungsindex des Meßmediums hervorgerufen, sondern aus den gemessenen Intensitätssignalen in Form eines Regelsignals abgeleitet, mit dem die Fre­ quenz der Laserquellen durch Änderung des Injektionsstromes derselben verändert wird. Es wird also die Laserfrequenz durch ein Stellelement verän­ dert, um den Laser zu stabilisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, wel­ che es ermöglicht, in kompaktester, z. B. in mikromechanischer Weise aufge­ bauter Form, mit Hilfe eines laseroptischen Verfahrens ein solches Sensorsy­ stem zu realisieren, welches in der Lage ist, sehr geringe Brechungsindexun­ terschiede dynamisch wie auch statisch zu messen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran­ sprüchen enthalten.

Im laufenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Grundaufbau des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform mit einem Referenzmedium im Laserkopf;

Fig. 3 eine leicht variierte Ausführungsform mit festem Arbeitsbereich aber erhöhter mechanischer Stabilität;

Fig. 4 eine ebenfalls mechanisch besonders stabile Ausführungsform mit elektrisch verstellbarem Arbeitsbereich;

Fig. 5 eine Anordnung analog zu Fig. 2, wobei der Strömungskanal für das Meßmedium so angeordnet ist, daß ein laminares Durchströmen des Sensorkopfes gewährleistet ist;

Fig. 6 eine Ausführungsform analog zu Fig. 3 mit den in Fig. 5 genannten Vorzügen; und

Fig. 7 ebenso eine zu Fig. 4 analoge Anordnung mit ebendenselben Modi­ fikationen.

Das Grundkonzept des Meßverfahrens beruht auf der Verwendung solcher sehr einfach aufgebauter sogenannter Single-Frequency-Laser, bei denen ein in bezug auf den Brechungsindex zu messendes Medium in den Laserresona­ tor eingebracht wird, was zu einer Änderung der optischen Weglänge und somit zu einer Frequenzverstimmung des Lasers führt.

Laserdiodengepumpte Festkörperlaser bestehen zumeist aus einer Laserdiode 1 (Fig. 1), welche über eine Ankoppeloptik 2 ein Festkörper-Lasermaterial 3 optisch pumpt, so daß dieses, in einen entsprechenden Resonator eingebracht, Laserstrahlung einer Frequenz ν₁ emittiert, welche meist längerwelliger als die Pumpwellenlänge λ₀. Neben der Transformation der Wellenlänge tritt weiterhin eine Erhöhung der Strahldichte dadurch auf, daß die Geometrie der Laser­ strahlung des Festkörperlasers allein durch dessen Resona­ torgeometrie bestimmt ist, wohingegen die Strahlung der Laserdiode aufgrund ihrer inhärenten Struktur beugungs­ begrenzt ist und somit eine geringe Strahldichte aufweist. Insbesondere aber tritt bei geeigneter Formung des Fest­ körperlasers eine Erhöhung der spektralen Strahldichte um viele Größenordnungen auf, so daß geeignet geformte Festkörperlaser eine sehr geringe Laserlinienbreite auf­ weisen können.

Eine Verschiebung der Laserlinie kann durch Temperatur­ änderung des Festkörperlasermaterials bzw. durch Längen­ änderung des Resonators erfolgen. Als Resonatorlänge muß jedoch die optisch wirksame Resonatorlänge in Betracht gezogen werden, welche sich aus der mechanischen Länge durch Multiplikation mit dem Brechungsindex errechnet. Bei konstanter mechanischer Resonatorlänge können somit Änderungen des Brechungsindex im Laserresonator durch Ein­ bringung eines optisch durchsichtigen Mediums und eine hieraus resultierende Frequenzverschiebung detektiert werden. Je nach Resonatorlänge und Ausformung ergeben sich spezi­ fische Abhängigkeiten der Laserfrequenz von der Resonator­ länge; so wird z. B. durch eine Änderung von 1 µm bei einem Festkörperlaserresonator von 8 mm Länge, welcher tempera­ turstabilisiert oder -kompensiert ist, eine Laserlinien­ verschiebung von ca. 30 GHz hervorgerufen. Je nach Fest­ körperlasermaterial kann eine maximale Verschiebung in der Größenordnung von etwa der halben Verstärkungsband­ breite erfolgen, welche, abhängig vom jeweils verwendeten Lasermaterial, zwischen 100 und 300 GHz liegt.

Ein Festkörperlaser mit Resonatorlänge von 8 mm muß nahe der Laserschwelle mit sehr geringer Ausgangsleistung be­ trieben werden, um das Anschwingen höherer longitudinaler Moden zu verhindern. Bei Verwendung sehr kurzer Resonatoren mit Längen von weniger als 1 mm ist es hingegen möglich, den Abstand der longitudinalen Resonatormoden so zu ver­ größern, daß lediglich eine einzige noch in der Verstär­ kungsbandbreite des Lasermediums liegt. So geartete Laser emittieren bei verhältnismäßig hoher Leistung stabil im Einfrequenzbetrieb und reagieren sehr empfindlich auf Reso­ natorlängenänderungen. Eine Längenänderung von 0,5 µm würde z. B. bereits eine Linienverschiebung von bis zu 150 GHz bewirken. Allerdings ist der Dynamikbereich solcher Laser geringer als bei größeren Resonatorlängen.

Überlagert man das derart frequenzmodulierte Lasersignal mit einem unmodulierten Referenzlasersignal mit ähnlicher Frequenz, etwa in einer Glasfaserweiche 15, so erhält man am Ausgang 12 einer am Glasfaserende angebrachten herkömm­ lichen Photodiode 11 ein Hochfrequenzsignal, welches der Differenzfrequenz der beiden Laserfrequenzen proportional ist. Durch geeignete Frequenzmodulation ist es somit möglich, die Differenzfrequenz der beiden Lasersignale direkt weiter auszuwerten. Insbesondere ist die Differenzfrequenz jedoch proportional der Änderung der optischen Resonatorlänge, so daß mit sehr hoher Auflösung und sehr hohem Dynamikbe­ reich sehr kleiner Brechungsindexänderungen eines z. B. den Resonator durchströmenden Mediums gemessen werden können. Eine Änderung der optischen Resonatorlänge von beispiels­ weise 0,1 µm resultiert z. B. in einer Frequenzänderung von 3 bzw. 30 GHz für 8 bzw. 0,8 mm Resonatorlänge. Geht man in beiden Fällen von einer Laserkristall-Dicke von 0,5 mm aus, so ist die freie (mechanische) Resonatorlänge, welche vom Medium eingenommen werden kann, 7,5 bzw. 0,3 mm. Laser der oben beschriebenen Art verfügen über Linien­ breiten, welche unstabilisiert im Bereich von 10 KHz liegen, so daß Differenzfrequenzen von z. B. 100 KHz noch leicht rauscharm gemessen werden können. Einer Differenzfrequenz von 30 bzw. 300 MHz entspricht aber in beiden Fällen einer Änderung der optischen Weglänge im Resonator von etwa 1 nm. Da die optische Weglänge sich aus der mechanischen Weglänge durch Multiplikation mit dem Brechungsindex ändert, entspricht eine Änderung der optischen Resonatorlänge von 1 nm einer Änderung des Brechungsindex des in den Resonator eingebrachten Mediums von 1,3 . 10^-7 bzw. 3 . 10^-6.

Da lediglich die Differenzfrequenz die Information über das Meßsignal enthält, nicht jedoch die Amplitude, können Schwankungen in der Laserintensität völlig vernachlässigt werden. Einzige Einschränkung ist, daß das zu messende Medium eine hinreichend geringe Absorption bei der ver­ wendeten Laserfrequenz aufweist, so daß der Laser immer über der Schwelle betrieben wird und nicht ausgeht. Im Falle des kurzen, aber etwas weniger empfindlichen Resonators ist dies leicht möglich; da Resonatoren mit größerer Länge (d. h. empfindlichere Sensoren), auf der anderen Seite nahe der Schwelle betrieben werden müssen, um Einfrequenzbetrieb zu erhalten, muß dort die Absorption des Mediums besonders gering sein bzw. die Laser-Grundwellenlänge besonders genau in bezug auf das zu messende Medium gewählt werden.

Der Grundaufbau des Festkörperlasers (Fig. 1) besteht aus einer Laserdiode 1 und einer Ankoppeloptik 2, mit deren Hilfe ein Festkörperlasermaterial 3 optisch angeregt wird. Dieser Laserkristall wird an der Fläche 5 derart bedampft, daß eine hochreflektierende Spiegelschicht für die Laser­ wellenlänge und hochtransmittierende Spiegelschicht für die Pumpwellenlänge entsteht. Zum Zweck der Erfindung wird die Austrittsfläche 6 des Kristalls hingegen antireflek­ tierend für die Laserwellenlänge ausgeführt. Statt dessen wird gegenüber der Fläche 6 eine Fläche 7 z. B. auf einem Glassubstrat 8 positioniert, welche ihrerseits teilreflek­ tierend für die Laserwellenlänge bedampft ist. Diese Anord­ nung bildet einen sogenannten diodengepumpten halbmono­ lithischen Festkörperlaser, welcher, im Einfrequenzbetrieb arbeitend, Laserstrahlung 9 einer Laserfrequenz ν₁ emit­ tiert. Diese Frequenz zeigt nun eine starke Abhängigkeit von der optischen Längenänderung des Resonators.

Diese Abhängigkeit wird erfindungsgemäß dazu genutzt, daß ein z. B. flüssiges oder gasförmiges Medium 14 in einen Teilbereich des einen Resonators eingeleitet wird und dort die optische Resonatorlänge aufgrund seines Brechungs­ indexes verändert.

Die so frequenzverschobene Laserstrahlung wird mit der Strahlung 10 eines zweiten nicht dargestellten Lasers über­ lagert, so daß es am Ausgang einer Glasfaserweiche 15 mit einer Photodiode eine Differenzfrequenz der beiden Laser­ strahlen detektiert werden kann, welche der optischen Weg­ längenänderung im Sensorlaser und somit dem Brechungsindex des Mediums M proportional ist.

Eine weitere Möglichkeit der Strahlführung besteht darin, daß die Spiegelfläche 5 teilreflektierend für die Laser­ wellenlänge und hochtransmittierend für die Pumpwellenlänge, Fläche 7 hingegen hochreflektierend für die Laserwellenlänge ausgeführt wird. In dieser Anordnung wird die Laserstrahlung in entgegengesetzter Richtung emittiert, wie es in vielen Anwendungen von Vorteil sein kann.

Ein wesentliches Problem der Anordnung nach Fig. 1 stellt die relativ hohe Temperaturempfindlichkeit der Laserwellen­ länge dar. Zur Temperaturkompensation ist ein Aufbau gemäß Fig. 2 mit einer Referenzstrahlanordnung besonders geeignet. Hierbei pumpt eine Laserdiode 31 über eine Transferoptik 32a-c und eine Glasfaserweiche 33 ein Festkörperlaser­ material 34 an zwei Stellen 35 und 36; dem Festkörperlaser­ material, welches einseitig (Fläche 37) hochtransmittierend für die Pumpwellenlänge und teilreflektierend für die Laser­ wellenlänge bedampft und anderseitig (Fläche 38) anti­ reflektierend für die Laserwellenlänge bedampft ist, wird ein Spiegel 39 des Sensorlasers mit hochreflektierender Schicht sowie ein Resonatorspiegel 311 mit gleicher Be­ schichtung eines Referenzlasers gegenübergesetzt. Während die Laserfrequenz ν₁ durch eine brechungsindexinduzierte Änderung der optischen Resonatorlänge frequenzverschoben wird, dem eine Verschiebung der Laserwellenlänge mit der Temperatur zusätzlich aufmoduliert sein kann, wird die Laserfrequenz ν₂ des Referenzlasers lediglich durch den Temperatureffekt moduliert. Nach kohärenter Überlagerung (Heterodyn-Verfahren) in der Glasfaserweiche 33 steht als Differenzfrequenz am Ausgang der Photodiode 313 die fre­ quenzmodulierte Differenzfrequenz zur Verfügung. Der Tempe­ ratureffekt wird dadurch kompensiert, daß der Referenzlaser­ strahl 321 dieselbe Temperaturmodulation wie der Sensor­ laserstrahl 322 erfährt.

Das Sensorgehäuse 30 ist in dieser Ausführungsform hermetisch abgedichtet und mit einem Referenzmedium bekannter Konsistenz und damit Brechungsindex gefüllt, so daß der Arbeitsbereich des Sensors auf diese Weise eingestellt werden kann. Zur Abdichtung gegenüber dem Meßmedium wird eine entspiegelte Glas- oder Saphirplatte 37 verwendet, welche zudem den Laserkristall thermisch vom Meßmedium entkoppelt.

Durch geeignete Filterung des elektrischen Signales ist es weiterhin möglich, die Bandbreite des detektierten Sig­ nales so auszufiltern, daß dynamische Effekte und statische Effekte bzw. unerwünschte und gewünschte dynamische Effekte getrennt werden können. Ein erweiterter Meßbereich kann elektronisch dadurch erreicht werden, daß die Anzahl der Modensprünge des Lasers registriert werden.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, in der der Referenz­ laserspiegel 311 direkt den Laserkristall 34 kontaktiert und somit mechanisch besonders stabil ist. Als Nachteil muß man jedoch in Kauf nehmen, den Arbeitsbereich nicht mehr durch Wahl eines Referenzmediums wählen zu können.

Abhilfe schafft hier eine Anordnung nach Fig. 4, bei welcher zwischen Laserspiegel 311 und Laserkristall 34 ein z. B. ringförmiges elektrostriktives Medium 314 angeordnet ist, welches es gestattet, mittels Längenänderung des Referenz­ laser-Resonators den Arbeitsbereich zu verschieben.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in Fig. 3 und 4 eine thermische Isolierung des Laserkristalles nicht einge­ zeichnet.

Da in vielen Fällen ein möglichst laminares Durchströmen des Resonators gefordert ist, können die vom Medium durch­ flossenen Kanäle entsprechend geformt sein und z. B. wie in Fig. 5-7 skizziert angeordnet sein. (Die Laseranordnung entspricht hierbei den Fig. 2-4).

Der Pumplaser und die Glasfaserweiche können auch örtlich getrennt werden vom Sensorkopf, wobei in diesem Falle die Pumplichtstrahlung durch eine geeignete Optik direkt einge­ strahlt werden kann (z. B. durch Vakuum oder Luft). In diesem Falle kann der Sensorkopf bis zu einigen Metern Entfernung vom Pumplichtlaser aufgestellt werden. Bei Messungen im Vakuum, in elektromagnetisch belasteten Regionen oder in Bereichen hoher Temperatur kann dies von Vorteil sein.

Wesentliche Teile des gesamten Lasersystems lassen sich in mikromechanischer Bauweise ausführen und damit besonders kompakt und kostengünstig gestalten, wie es z. B. für den diodengepumpten Festkörperlaser in der Patentanmeldung P 39 25 201 beschrieben ist. Weiterhin ist es möglich, die in Fig. 2-7 beschriebenen Anordnungen von Meßkammern für das zu untersuchende Medium in gleicher oder leicht veränderter Form mikromechanisch auszuführen. Dazu werden in Silizium mit den bekannten Ätztechniken die entsprechen­ den Kanäle und mechanischen Strukturen eingebracht. Ferner können die erforderlichen Beschichtungen für Spiegelflächen aufgedampft oder gesputtert werden.

Für komplexe Überwachungssysteme besteht die Möglichkeit, mehrere in dieser und in der Patentanmeldung P 4034237.9 beschriebenen Sensoren miteinander zu kombinieren. Ein praktisches Beispiel aus der Prozeßmeßtechnik könnte z. B. erfordern, daß gleichzeitig die Temperatur, der Druck und die Zusammensetzung eines Gasgemisches mit hoher Genauig­ keit überwacht werden müssen. Dazu können entsprechende Laser-Sensoren für Druck, Temperatur und Brechungsindex miteinander verknüpft werden.

Claims (8)

1. Anordnung zur Messung von Brechungsindexveränderungen eines Mediums mittels Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels einer Laserdiode gepumptes Festkörperlasermaterial (3) an einer ersten Fläche (5) entweder mit einer hoch- oder teilreflektierenden Spiegelschicht für die Festkörperlaserwellenlänge bedampft ist, wobei diese Spiegel­ schicht die erste Wand eines Laserresonators bildet, daß das Festkörperla­ sermaterial eine für die Festkörperlaserwellenlänge antireflektierende zweite Fläche (6) aufweist, wodurch Festkörperlaserlicht hindurchtritt und nach Durchlaufen eines mit dem zu messenden Medium gefüllten Raum auf eine für das Festkörperlaserlicht teilreflektierend bzw. hochreflektie­ rend ausgebildete Fläche (7) trifft, daß diese Fläche (7) eine zweite Wand des Laserresonators bildet, daß eine kohärent optische Überlagerung des Festkörperlaserlichts mit einem Referenzlaserlicht und der Nachweis der Differenzfrequenz zwischen Festkörperlaserlicht und Referenzlaserlicht mittels einer Photodiode (11, 313) erfolgt.

2. Anordung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die kohärente Überlagerung als auch die Übertragung der Pumplichtlei­ stung in einer Glasfaserweiche (15, 33) erfolgt, an deren einem Ausgang die Photodiode (1, 313) zur Detektion angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorlaser und der Referenzlaser dasselbe Festkörperlaser­ material aufweisen derart, daß Temperatureinflüsse gleichermaßen auf den Sensorlaser und den Referenzlaser wirken und so kompensiert werden.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Glasfaserweiche (33) eine "X"-Form aufweist und die Pumplichtleistung auf zwei räumlich getrennte Orte (35, 36) im aktiven La­ sermaterial (34) verteilt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Filterung des kohärenten Überlagerungssignals ein elek­ trischer Filter vorgesehen ist, der eine Frequenz-Demodulation nachge­ schaltet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Referenzlaserfrequenz auf die Sensorlaserfrequenz ein­ stellbar ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Referenzlaser aktiv frequenzmodulierbar ist, derart, daß die Differenzfrequenz zwischen Sensorlaser und Referenzlaser durch eine Regelschleife auf einem konstanten Wert gehalten wird und der Regel­ schleife ein Informationssignal über die Brechungsindexvariation entnehm­ bar ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Festkörperlasermaterial ein mit Ionen der Lanthaniden dotiertes Wirtsgitter (z. B. Nd: YAG o. a.) oder -glas ist.