DE10017946A1 - Faserlaser-Sensor - Google Patents

Faserlaser-Sensor

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Abstract

Ein Faserlaser-Sensor weist einen Faserlaser (FL) mit zwei Reflektoren in Form eines ersten und eines zweiten Bragg-Gitters (4, 5) und einem dazwischen angeordneten Fasersegment (3) auf. Das erste Bragg-Gitter (4) ist temperatursensitiv angeordnet. Das zweite Bragg-Gitter ist ein Chirped-Bragg-Gitter (5), dessen zentrale Wellenlänge bezüglich Temperaturänderungen stabilisiert ist. Mittels dieses Sensors lassen sich gleichzeitig Temperatur und Druck getrennt voneinander messen, wobei Schwebungsfrequenzen von orthogonalen Eigenpolarisationsmoden des Faserlasers (FL) ein Maß für den Druck und Schwebungsfrequenzen von Longitudinalmoden ein Maß für die Temperatur sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Sensorik. Sie bezieht sich auf einen Faserlaser-Sensor gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Stand der Technik
In Faserlaser-Sensoren werden Änderungen des Brechungsindex der Faser auf­ grund externer Einflüsse, wie z. B. Druck- und Temperaturänderungen, in einer Änderung der Laserwellenlänge beziehungsweise in einer Änderung der Schwe­ bungsfrequenz zwischen zwei longitudinalen Lasermoden umgesetzt.
Ein derartiger Faserlaser-Sensor ist beispielweise aus G. A. Ball et al., "Polarime­ tric heterodyning Bragg-grating fiber-laser sensor", Optic Letters 18(22), 1993, S. 1976-1978, bekannt. Der Sensor weist einen Faserlaser mit zwei Bragg-Gittern und einem dazwischen angeordneten dotierten, als Lasermedium wirkendes, doppelbrechendes Fasersegment auf. Die Bragg-Gitter sind direkt in den Faser­ kern einer optischen Faser geschrieben und bilden sogenannte Faser-Bragg- Gitter. Durch Pumplicht, welches mittels einer Zuleitungsfaser durch eines der Bragg-Gitter zum dotierten Fasersegment geführt wird, werden im Faser­ segment zwei orthogonal polarisierte Eigenpolarisationsmoden angeregt. Im Emissionslicht des Lasers werden die zwei Eigenpolarisationsmoden zur Inter­ ferenz gebracht, wodurch eine gemeinsame Schwebungsfrequenz erhalten wird. Jede äussere Störung, welche die Länge der Laserkavität oder die Doppel­ brechung ändert, führt zu einer Änderung dieser Schwebungsfrequenz. Die erhaltene Schwebungsfrequenz und ihre Änderungen lassen sich mittels eines Frequenzzählers messen, so dass Rückschlüsse auf die Grösse der externen Beeinflussung, beispielsweise ein externer Druck oder eine Temperaturänderung gezogen werden können. Dieser Faserlaser-Sensor kann jedoch nicht zwischen einzelnen externen Einflüssen unterscheiden. Im Sensorsignal sind insbesondere Temperatur- und Druckeffekte kumuliert.
WO 99/44023 offenbart einen Faserlaser-Drucksensor, bei welchem in der Laserkavität neben einem als Lasermedium wirkenden Fasersegment zwei Sensorfasersegmente mit nichtrotationssymmetrischer Struktur vorhanden sind. Wird ein äusserer Druck auf eines dieser Sensorfasersegmente ausgeübt, so wird wiederum eine druckproportionale Schwebungsfrequenz zwischen unterschied­ lichen Polarisationsmoden induziert. Um Temperatureffekte zu kompensieren, wird vorgeschlagen, beide Sensorfasersegmente der Temperatur, jedoch nur ein Sensorfasersegment dem äusseren Druck auszusetzen. Dieser Faserlaser-Sensor lässt sich auch zur reinen Temperaturmessung einsetzen, indem eine Verschie­ bung der Bragg-Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters und damit die Wellenlänge des Emissionslichts mittels eines optischen Wellenlängenmeters bestimmt wird. Die Verwendung eines solchen zusätzlichen Gerätes erhöht die Gesamtkosten des Sensors. Zudem darf der Temperaturunterschied zwischen den beiden Faser- Bragg-Gittern nicht grösser sein als 10 K, da sonst die Laseremission augrund der unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen zusammenbricht.
WO 94/17366 beschreibt einen faseroptischen Sensor mit mehreren in Serie ge­ schalteten Faserlasern. Zur separaten Messung der Temperatur wird dabei vor­ geschlagen, zwei Faserlaser mit unterschiedlichen Wellenlängen zu verwenden und beide denselben Temperatur- und Druckänderungen auszusetzen. Beide Faserlaser erfahren dabei dieselbe druckinduzierte, jedoch unterschiedliche temperaturinduzierte Wellenlängenänderungen. Durch Subtraktion der zwei Signale lässt sich die Temperaturänderung bestimmen. Ferner wird in dieser Publikation vorgeschlagen, die zwei Bragg-Gitter der einzelnen Faserlaser unterschiedlich zu gestalten, so dass jeder Faserlaser ein schmalbandiges und ein breitbandiges Bragg-Gitter aufweist. Durch die Verwendung von unter­ schiedlich breiten Bragg-Gittern bestimmt lediglich das schmalbandige Bragg- Gitter die Bragg-Wellenlänge. Dadurch sollen Störungen in der Kavität und damit sogenanntes mode-hopping, hervorgerufen durch unterschiedliche Dehnung der zwei Bragg-Gitter, verhindert werden.
Alan D. Kersey et al., "Fiber Grating Sensors", Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 8, 1997, S. 1442-1463, bespricht verschiedene aktive und passive Fasergitter-Sensoren, wobei die Verwendung von Chirped-Bragg-Gittern zur Druck- und Temperaturmessung offenbart wird.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Faserlaser-Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher voneinander unabhängige Messungen von Temperatur und Druck mittels einfacher Mittel erlaubt.
Diese Aufgabe löst ein Faserlaser-Sensor mit den Merkmalen des Patentan­ spruches 1.
Der erfindungsgemässe Faserlaser-Sensor weist einen Faserlaser mit zwei Bragg-Gittern auf, wobei ein erstes Bragg-Gitter temperatursensitiv angeordnet ist und das zweite Bragg-Gitter ein Chirped-Bragg-Gitter ist, dessen Reflexionszone für seine zentrale Wellenlänge temperaturstabilisiert ist.
Durch diese Anordnung wird erreicht, dass zur Interferenz gebrachtes Emissionslicht des Lasers zwei Schwebungsfrequenzen aufweist. Eine davon ist proportional zu einer im ersten Bragg-Gitter induzierten Temperaturänderung, die andere zu einer im Laser induzierten Druckänderung. Dabei ist insbesondere die temperaturabhängige Änderung linear. Somit lassen sich Temperatur und Druck gleichzeitig, jedoch unabhängig voneinander messen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Chirped-Bragg-Gitter selber tem­ peraturstabilisiert, beispielsweise mittels eines Kühl- oder Heizelementes.
Das zweite Bragg-Gitter ist vorzugsweise ein konventionelles schmalbandiges Bragg-Gitter mit mindestens annähernd konstanter Gitterperiode.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent­ ansprüchen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels, welches in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen faser­ optischen Sensors und
Fig. 2 eine Darstellung einer Reflektivität eines Bragg-Gitters und eines Chirped-Bragg-Gitters als Funktion der Wellenlänge.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Faserlaser-Sensors. Der Sensor weist im wesentlichen eine Pumplichtquelle 1, eine optische Faser 2 mit einem Faserlaser FL, eine Detektionseinheit 8 und eine Auswerteelektronik 10 auf.
Als Pumplichtquelle 1 lassen sich die üblicherweise für Faserlaser-Sensoren verwendeten Lichtquellen, insbesondere Pumplaser, verwenden. Die Pumplicht­ quelle 1 steht über eine Zuleitungsfaser 2a und einen Faserkoppler 6 mit der optischen Faser 2 und dem Faserlaser FL in optischer Verbindung.
Ebenfalls mit dem Faserkoppler 6 ist eine Rückleitungsfaser 2b optisch verbun­ den, welche zur Detektionseinheit 8 führt. Die Detektionseinheit 8 weist vor­ zugsweise eine Polarisationskontrolle 80, einen Analysator 81 sowie ein Detek­ tionsmittel, beispielsweise eine Photodiode 82, auf. Die Detektionseinheit 8, genauer die Photodiode 82, ist über eine Signalleitung 9 mit der Auswerte­ elektronik 10 verbunden, welche ihrerseits ein Frequenzfilter 11 und einen Frequenzzähler 12 aufweist. Vorzugsweise ist zwischen Faserkoppler 6 und Detektionseinheit 8 ein optischer Isolator 7 angeordnet.
Ein Teil der optischen Faser 2 wird durch den Faserlaser FL gebildet. Dieser besteht aus zwei Endreflektoren in Form eines ersten und eines zweiten Bragg- Gitters 4, 5 und einem dazwischen angeordneten Fasersegment 3. Das Faser­ segment 3 ist ein- oder mehrstückig ausgebildet, wobei mindestens ein Teil des Segmentes als Lasermedium wirkt. Als Fasersegment 3 eignen sich die gemäss dem Stand der Technik in Faserlaser-Sensoren eingesetzten Fasern. Das Faser­ segment soll somit mehrere, vorzugsweise zwei Polarisations- oder Raummoden tragen, zwischen denen eine externe Druckänderung eine differentielle Phasen­ schiebung induziert. Geeignet sind doppelbrechende, polarisationserhaltende Fasern, beispielsweise eine Nd- oder erbium-dotierte Faser. Die Doppelbrechung lässt sich dabei auf verschiedene Weise erhalten, durch entsprechende Brechungsindizes in der Faser oder durch entsprechende Formgebung der Faser.
Die Bragg-Gitter 4, 5 sind in diesem Ausführungsbeispiel Faser-Bragg-Gitter. Das erste Bragg-Gitter 4 ist dabei ein konventionelles, schmalbandiges Bragg- Gitter mit einer mindestens annähernd konstanten Gitterperiode. Typische Werte des ersten Bragg-Gitters 4 sind 0.1 nm Bandbreite und ein Reflexions­ vermögen von mindestens annähernd 99%. Das zweite Bragg-Gitter 5 ist erfin­ dungsgemäss ein Chirped-Bragg-Gitter, das heisst, ein Bragg-Gitter mit einer sich monoton ändernden Gitterperiode und/oder einem sich ändernden Brechungsindex des Faserkerns. Chirped-Bragg-Gitter sind im Stand der Technik bekannt, wobei sie vor allem in der Kommunikationstechnik Anwen­ dung finden. Eine Übersicht über Faser-Bragg-Gitter gibt beispielsweise A. Othonos, "Fiber Bragg Gratings", Rev. Sci. Instrum.. 68 (12) Dez. 1997, S. 4309-0 4340. Typische Werte des zweiten Bragg-Gitters 5 sind 1-5 nm Bandbreite und ein Reflexionsvermögen von mindestens annähernd 95%. Chirped-Bragg-Gitter zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie einen breiteren Bereich von Wellenlängen reflektieren, also breitbandiger sind als die konventionellen Bragg- Gitter. Die einzelnen Wellenlängen reflektieren dabei an örtlich getrennten Reflexionszonen innerhalb des Chirped-Bragg-Gitters. Dabei weist das Chirped- Bragg-Gitter im Gegensatz zum konventionellen Bragg-Gitter über ein relativ grosses Spektrum ein lineares Verhalten seiner Gruppenverzögerung auf. In Fig. 2 ist die Reflektivität des Chirped-Bragg-Gitters 5 und des konven­ tionellen Bragg-Gitters 4 als Funktion der Wellenlänge λ dargestellt. Dabei bezeichnet RCBG die Reflektivität des Chirped-Bragg-Gitters 5, RBG1 die Reflektivität des konventionellen Bragg-Gitters 4 bei einer ersten Temperatur, RBG2 bei einer zweiten Temperatur und RBG3 bei einer dritten Temperatur.
Erfindungsgemäss ist das erste Bragg-Gitter 4 temperatursensitiv angeordnet, das heisst, es ist äusseren Temperatureinflüssen unkompensiert ausgesetzt. Beim Chirped-Bragg-Gitter 5 hingegen ist die Lage der zentralen Bragg-Wel­ lenlänge temperaturstabilisiert. Vorzugsweise ist dabei das gesamte Chirped- Bragg-Gitter 5 temperaturstabilisiert angeordnet, beispielsweise ist es mit einem Kühl- oder Heizelement 50, insbesondere einem Peltierelement, wirkverbunden.
Vorzugsweise ist das Chirped-Bragg-Gitter 5 am emissionsseitigen Ende des Faserlasers FL angeordnet, so dass Laserlicht über das Chirped-Bragg-Gitter 5 ausgekoppelt wird. In der hier dargestellten Ausführungsform wird zudem über dasselbe Chirped-Bragg-Gitter 5 Licht aus der Pumplichtquelle 1 in das Faser­ segment 3 eingekoppelt. Es ist jedoch auch möglich, die zwei Bragg-Gitter 4, 5 miteinander zu vertauschen.
Zur einer Druckmessung funktioniert der erfindungsgemässe Faserlaser-Sensor wie die aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren. Auf eine detaillierte Beschreibung wird hier deshalb verzichtet. Grundsätzlich wird von der Pumplichtquelle 1 ausgesendetes Pumplicht über ein Bragg-Gitter, hier über das Chirped-Bragg-Gitter 5, in das Fasersegment 3 eingekoppelt. Der Faserlaser FL stellt eine Laserkavität mit Longitudinalmoden und damit gekoppelten orthogo­ nalen Eigenpolarisationsmoden dar. Die Eigenfrequenzen der Longitudinal­ moden sind dadurch charakterisiert, dass die optische Länge des Faserlasers FL durch ganzzahlige Vielfache der halben Laserwellenlänge, das heisst der Bragg- Wellenlänge λB, ausgefüllt ist. Da das erste Bragg-Gitter 4 schmalbandig ausge­ bildet ist, bestimmt es die Bragg-Wellenlänge. Das Fasersegment 3 ermöglicht das Anschwingen von mindestens, vorzugsweise zwei Longitudinalmoden in der Kavität. Die zwei zugehörigen orthogonalen Eigenpolarisations-Moden sehen aufgrund der Doppelbrechung unterschiedliche Brechungsindizes in der Laser­ kavität. Emissionslicht, welches aus einem Gitter, hier dem Chirped-Bragg- Gitter 5, auskoppelt, weist die Bragg-Wellenlänge λB auf. Im Faserkoppler 6 wird das Emissionslicht vom Pumplicht aufgrund der verschobenen Wellenlänge separiert und in die Rückleitungsfaser 2b geleitet. Rückreflexe in den Faserlaser FL werden durch den optischen Isolator 7 verhindert. In der Detektionseinheit 8 werden die, vorzugsweise zwei benachbarte Polarisationsmoden mittels des Analysators 81 zur Interferenz gebracht, so dass ein Interferenzsignal und somit eine Schwebungsfrequenz erhalten wird. In der Photodiode 82 oder einem anderen Detektionsmittel wird das Interferenzsignal in ein intensitätspropor­ tionales elektrisches Signal umgewandelt, aus welchem im Frequenzfilter 11 das gewünschte Schwebungssignal separiert und dem Frequenzzähler 12 zugeführt wird. Anstelle von Polarisationsmoden lassen sich hierfür auch Raummoden ein­ setzen.
Wird nun ein äusserer Druck in das Fasersegment 3 induziert, verändert sich die Doppelbrechung in der Laserkavität, was zu einer Verschiebung der Schwe­ bungsfrequenz der Eigenpolarisationsmoden führt. Diese Änderung lässt sich somit mittels der Detektionseinheit 8 und der Auswertelektronik 10 bestimmen und dadurch die Druckänderung detektieren.
Die erfindungsgemässe Kombination eines temperatursensitiven Bragg-Gitters und eines temperaturstabilisierten Chirped-Bragg-Gitters ermöglicht nun auch eine Temperaturmessung:
Bragg-Gitter reagieren auf Temperaturänderungen durch Änderung ihrer Gitterkonstanten und somit ihrer Bragg-Wellenlänge λB. Das erste, temperatur­ sensitive Bragg-Gitter 4 ändert somit seine Bragg-Wellenlänge λB. Aufgrund der Änderung der Bragg-Wellenlänge ändert sich im Chirped-Bragg-Gitter 5 die Reflexionszone und somit die optische Länge der Kavität. Die Länge der Laser­ kavität ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Dabei sei L0 die optische Länge bei einer Temperatur T0 und L1 diejenige bei einer Temperatur T1 ≠ T0.
Die obengenannte Bedingung für das Anschwingen der Longitudinalmoden hat sich somit verändert, was zu einer relativen Phasenschiebung der Longitudinal­ moden führt. Aufgrund des breitbandigen Chirped-Bragg-Gitters bricht der Laser jedoch auch bei einer starken Temperaturänderung nicht zusammen. Die Verschiebung der Reflexionszone im Chirped-Bragg-Gitter 5 und somit die Änderung der Kavitätslänge sind aufgrund des Chirped-Bragg-Gitters linear in Bezug auf die Wellenlängenänderung und somit auf die Temperaturänderung.
Die Longitudinalmoden, vorzugsweise zwei benachbarte, werden analog zum obigen Druckmess-Verfahren emittiert und ihre Schwebungsfrequenz analysiert. Sie müssen nicht zur Interferenz gebracht werden, da sie bereits miteinander interferieren. Die Änderung in der Schwebungsfrequenz ist dabei proportional, insbesondere linear proportional zu einer Temperaturänderung.
Es wurden Versuche mit einem oben beschriebenen Faserlaser-Sensor durch­ geführt, wobei der Sensor ein Nd-dotiertes Fasersegment, ein Chirped-Bragg- Gitter mit einem cosinusförmigen Indexprofil mit einem Bandspektrum von 2 nm FWHM (full width at halfmaximum) und einem einheitlichen Chirp von - 1 nm/cm, ein konventionelles Bragg-Gitter mit einer Bragg- Wellenlängenänderung von 0.01 nm/K und eine Kavitätslänge von 5 cm bei einer Temperatur T0 aufweist. Das Chirped-Bragg-Gitter hat sich dabei innerhalb eines Bereiches der Schwebungsfrequenz der Longintudinalmoden von 1.15- 1.35 GHz linear verhalten und eine Sensitivität von 1 MHz/0.01 nm aufgewiesen. Dadurch lassen sich Temperaturänderungen von bis zu 200 K nachweisen.
Mittels des erfindungsgemässen Faserlaser-Sensor lassen sich somit gleichzeitig Temperatur- und Druckänderungen mit demselben Faserlaser messen, wobei die Schwebungsfrequenz der Longitudinalmoden zur Temperaturmessung und die Schwebungsfrequenz der orthogonalen Eigenpolarisationsmoden zur Druck­ messung verwendet werden. Vorteilhaft ist, dass sich der Faserlaser-Sensor multiplexen lässt, das heisst, es lassen sich mehrere Faserlaser in Serie entlang einer gemeinsamen Faser anordnen. Dieser Faserlaser-Sensor, insbesondere sein Faserlaser, lässt sich relativ klein gestalten, so dass er auch in engen Raum­ verhältnissen einsetzbar ist.
Bezugszeichenliste
FL Faserlaser
1
Pumplichtquelle
2
a Zuführungsfaser
2
b Rückleitungsfaser
2
Optische Faser
3
Fasersegment
4
Erstes Bragg-Gitter
5
Zweites Bragg-Gitter (Chirped-Bragg-Gitter)
50
Kühl- oder Heizelement
6
Faserkoppler
7
Optischer Isolator
8
Detektionseinheit
80
Polarisationskontrolle
81
Analysator
82
Photodiode
9
Signalleitung
10
Auswerteelektronik
11
Frequenzfilter
12
Frequenzzähler
L0 Länge der Kavität bei einer Temperatur T0
L1 Länge der Kavität bei einer Temperatur T1
RGBG
Reflektivität des Chirped-Bragg-Gitters
RBG1
Reflektivität des ersten Bragg-Gitters bei einer Temperatur T1
RBG2
Reflektivität des ersten Bragg-Gitters bei einer Temperatur T2
RBG3
Reflektivität des ersten Bragg-Gitters bei einer Temperatur T3
λ Wellenlänge
λB
Bragg-Wellenlänge

Claims (10)

1. Faserlaser-Sensor mit einem Faserlaser (FL), welcher durch zwei Reflekto­ ren in Form eines ersten und eines zweiten Bragg-Gitters (4, 5) und einem dazwischen angeordneten Fasersegment (3) gebildet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das erste Bragg-Gitter (4) temperatursensitiv ist und das zweite Bragg-Gitter ein Chirped-Bragg-Gitter (5) ist, wobei das Chirped- Bragg-Gitter (5) eine temperaturstabilisierte Reflexionszone seiner zentra­ len Wellenlänge aufweist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Chirped-Bragg- Gitter (5) selber temperaturstabilisiert ist.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein kombinierter Druck- und Temperatursensor ist.
4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Detektions­ einheit (8) zur Detektion von Schwebungsfrequenzen von orthogonalen Eigenpolarisationsmoden und von Schwebungsfrequenzen von Longitudi­ nalmoden des Faserlasers (FL) aufweist, wobei die Schwebungsfrequenz der Eigenpolarisationsmoden ein Mass für einen Druck und die Schwebungs­ frequenz der Longitudinalmoden ein Mass für eine Temperatur sind.
5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bragg- Gitter (4) ein schmalbandiges Bragg-Gitter mit einer mindestens annä­ hernd konstanten Gitterperiode ist.
6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Chirped-Bragg- Gitter (5) am emissionsseitigen Ende des Faserlasers (FL) angeordnet ist.
7. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühl- oder Heizelement (50) vorhanden ist, welches das Chirped-Bragg-Gitter (5) tem­ peraturstabilisiert.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- oder Heizelement (50) ein Peltierelement ist.
9. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasersegment aus mindestens zwei Teilsegmenten besteht, wobei mindetsns ein Teil­ segment als Lasermedium wirkt.
10. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektions­ einheit (8) räumliche Moden anstelle von Polarisationsmoden detektiert.
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