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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Temperaturmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Temperaturmessung ist aus der
WO 2005/024349 A1 bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle, deren Licht in ein Faser-Bragg-Gitter zur Durchführung der ortsaufgelösten Temperaturmessung eingekoppelt werden kann. Zwischen der Laserlichtquelle und dem Faser-Bragg-Gitter ist ein Depolarisator angeordnet, der das Laserlicht vor Eintritt in den Sensor depolarisieren kann.
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Aus der
US 2007/0297054 A1 sind verschiedene Vorrichtungen zur Depolarisation von Laserlicht bekannt. Eine der Vorrichtungen teilt einen Laserstrahl in zwei Teilstrahlen mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen auf. Die beiden Teilstrahlen legen in der Vorrichtung unterschiedlich lange Wege zurück, wobei die Wegdifferenz größer als die Kohärenzlänge des Laserlichts ist. Nach der anschließenden Vereinigung der beiden Teilstrahlen zu einem Ausgangsstrahl ist dieser weitgehend depolarisiert.
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Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
EP 0 692 705 A1 bekannt. Faseroptische Temperaturmesssysteme (Distributed Temperature Sensing – DTS) können optische Effekte in Lichtleitfasern zur ortsaufgelösten Temperaturmessung nutzen. Beispielsweise kann der Effekt der Raman-Streuung genutzt werden. Hierbei wird die Strahlung einer schmalbandigen Quelle elektromagnetischer Strahlung (z. B. die eines Lasers) inelastisch im Fasermaterial gestreut. Das Verhältnis der Intensitäten der Streustrahlung mit kürzerer Wellenlänge als die Anregung (anti-Stokes-Streustrahlung) und der Streustrahlung bei längerer Wellenlänge (Stokes-Streustrahlung) ist temperaturabhängig und kann zur Temperaturbestimmung verwendet werden. Durch Nutzung von Frequenztechniken (Optical Frequency-Domain Reflectometry – OFDR), wie sie in der
EP 0 692 705 A1 und in der
EP 0 898 151 A2 beschrieben sind, oder von Pulstechniken (Optical Time-Domgin Reflectometry – OTDR) kann die Temperatur entlang der Faser ortsaufgelöst bestimmt werden. Derartige Temperaturmesssysteme können beispielsweise zur Brandüberwachung in Tunneln und Kanälen, zur Überwachung von Energiekabeln und Pipelines sowie bei der Öl- und Gasförderung eingesetzt werden.
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Ein DTS-Gerät enthält im Allgemeinen neben den entsprechenden Koppeloptiken folgende wesentlichen optischen Komponenten:
Eine Laserlichtquelle,
einen Spektralteiler zur Kopplung des Lichts der Laserlichtquelle in die zur Messung verwendete Lichtleitfaser und zur Abtrennung der aus der Lichtleitfaser zurück gestreuten Raman-Streulichtanteile des Laserlichts,
eine zur Messung verwendete Lichtleitfaser,
einen Spektralteiler zur Trennung von Stokes- und Anti-Stokes Streulicht,
Filter für das Stokes- und das anti-Stokes-Streulicht,
Detektoren für das Stokes- und das anti-Stokes-Streulicht.
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Anstelle zweier Filter für das Stokes- und das anti-Stokes-Streulicht können veränderbare beziehungsweise auswechselbare Filter vorgesehen sein. Bei Verwendung derartiger auswechselbarer Filter werden beide Kanäle nacheinander gemessen. Das ist von der Messzeit her nachteilig, kann aber Kostenvorteile bringen und auch Genauigkeitsvorteile durch die Verwendung der gleichen Kanäle für beide Signale.
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Ein DTS-Gerät kann grundsätzlich weitgehend als Freistrahloptik aufgebaut sein. Aus verschiedenen praktischen Gründen (Effizienz, Stabilität) werden jedoch häufig faseroptische Aufbauten eingesetzt.
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Ein Problem der ortsaufgelösten Temperaturmessung in Lichtleitfasern ist die Änderung der Polarisation entlang der Faser. Dies tritt vor allem, aber nicht ausschließlich bei Single-Mode-Fasern auf. Die anregende Strahlung ist in der Regel polarisiert. Da die Raman-Streuung auch polarisiert erfolgen kann, können die aus der Faser zurückkommenden Raman-Streulichtanteile ebenfalls polarisiert sein. Der Nachweis des Raman-Streulichts erfolgt unter Verwendung von Spektralteilern, Filtern und anderen möglicherweise polarisationsabhängigen Bauteilen. Das Ergebnis der Messung kann somit von der Polarisation abhängen.
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In Multimode-Fasern breiten sich verschiedene Moden mit geringfügig unterschiedlicher Geschwindigkeit aus und die Einflüsse der Faser auf die Polarisation sind auch modenabhängig. Über längere Strecken bildet sich daher ein mehr oder weniger homogenes Gemisch verschiedener Polarisationszustände aus. Das Problem der Polarisationseffekte in Messungen mit DTS besteht somit vorrangig in Single-Mode-Fasern und bei der Messung von Multimode-Fasern mit wenigen Moden oder kurzen Längen.
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In der Faser kann die Polarisationsebene gedreht oder die Polarisation anderweitig verändert werden durch Effekte wie Spannungsdoppelbrechung. Damit hängen die Messsignale nicht nur in gewünschter Weise von der lokalen Temperatur, sondern auch von der lokalen Polarisation an der Messstelle beziehungsweise der Änderung der Polarisation auf dem Weg durch die Faser ab. Die Polarisationseffekte können, selbst wenn sie die Messgrößen nur wenig beeinflussen, bereits deutlichen Einfluss auf die Temperaturbestimmung haben und beispielsweise mehrere °C betragen. Damit können derartige Effekte die Temperaturauflösung von DTS-Geräten begrenzen. Insbesondere in Geräten, die mit Single-Mode-Fasern arbeiten, werden Modulationen auf den Temperaturkurven mit einer Amplitude von mehreren °C und einer Wellenlänge von einigen m bis zu einigen 10 m beobachtet. Diese sind auf Drehungen der Polarisationsebenene durch spannungsinduzierte Doppelbrechung im Fasermaterial zurückzuführen.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, mit der eine höhere Temperaturauflösung und/oder Ortsauflösung erreicht werden kann.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass der mindestens eine Filter als Mittel zur Verringerung polarisationsbedingter Effekte dient und sich seine Eigenschaften für zwei oder für jede zwei zueinander senkrechte Polarisationsrichtungen um weniger als 10% unterscheiden, und/oder dass der mindestens eine Spektralteiler als Mittel zur Verringerung polarisationsbedingter Effekte dient und sich seine Eigenschaften für zwei oder für jede zwei zueinander senkrechte Polarisationsrichtungen um weniger als 10% unterscheiden. Durch beide Maßnahmen wird der Einfluss polarisationsbedingter Effekte auf die Temperaturmessung verringert.
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Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Vorrichtung als Mittel zur Verringerung polarisationsbedingter Effekte einen Polarisationsveränderer umfasst, der das Licht der mindestens einen Laserlichtquelle vor der Einkopplung in die Lichtleitfaser zumindest teilweise depolarisieren oder den Polarisationszustand des Lichts vor der Einkopplung zeitlich und/oder räumlich verändern kann.
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Der Polarisationsveränderer soll die Polarisation des Laserlichts oder eventuell auch des Streulichts so beeinflussen, dass die Polarisationsabhängigkeit von Komponenten wie Spektralteiler und Filter nicht mehr ins Gewicht fällt.
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Ein idealer Polarisationsveränderer würde die Polarisation des Lichts aufheben und somit als Depolarisator wirken. Dies ist aber nicht unter allen Umständen möglich beziehungsweise mit erheblichem Aufwand verbunden.
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Insbesondere ist kohärente Strahlung immer polarisiert und lässt sich nur in ihrem Polarisationszustand (linear, zirkulär, elliptisch, Polarisationsachsen) beeinflussen.
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Andererseits ist für die gewünschte Polarisationsunabhängigkeit der Detektion nicht unbedingt eine tatsächliche Depolarisation erforderlich. Vielmehr sind auch Polarisationsveränderer einsetzbar, die den Polarisationszustand zeitlich und/oder räumlich verändern und so zu einer Mittelung verschiedener Polarisationsanteile in der Detektion führen.
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Ein für eine erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeigneter Polarisationsveränderer arbeitet folgendermaßen:
- – Aufspaltung des Lichts in zwei ähnlich starke Anteile,
- – Drehung der Polarisationsebene eines Anteils um 90°,
- – Verzögerung eines Anteils um eine Strecke, die größer ist als die Kohärenzlänge der mindestens einen Laserlichtquelle, aber kleiner als die gewünschte Ortsauflösung der Vorrichtung,
- – Kopplung beider Anteile in die zur Temperaturmessung genutzte Lichtleitfaser.
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Diese Anordnung kommt ohne bewegliche Teile aus, braucht keine Energiezufuhr und lässt sich kostengünstig realisieren. Die Verzögerungsstrecke muss größer als die Kohärenzlänge sein, um nicht hinter dem Depolarisator wieder polarisiertes Licht zu erhalten. Da sich große Verzögerungsstrecken auf die Ortsauflösung auswirken, gibt es möglicherweise Einschränkungen bei der Nutzung in hochauflösenden Vorrichtungen. Für hochauflösende Vorrichtungen kommen andere Lösungen, beispielsweise unter Einsatz rotierender optisch aktiver Scheiben (Halbwellenlängenplatten), elektroaktiver Zellen zur Änderung der Polarisation oder mechanisch beanspruchter Lichtleitfasern in Frage, die durch die mechanische Beanspruchung aufgrund induzierter Doppelbrechung eine Änderung der Polarisation hervorrufen können.
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Ein Polarisationsveränderer kann grundsätzlich weitgehend als Freistrahloptik aufgebaut sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, einen faseroptischen Aufbauten des Polarisationsveränderers vorzusehen.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass sich die Eigenschaften des mindestens einen Filters, insbesondere hinsichtlich seiner Transmission, für zwei oder für jede zwei zueinander senkrechte Polarisationsrichtungen um weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 1% unterscheiden.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass sich die Eigenschaften des mindestens einen Spektralteilers, insbesondere hinsichtlich seiner Transmission und/oder seiner Reflexion, für zwei oder für jede zwei zueinander senkrechte Polarisationsrichtungen um weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 1% unterscheiden.
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Spektralteiler und andere wellenlängenselektive Filter können in Ihrer Funktion deutlich von der Polarisation abhängen. Diese Polarisationsabhängigkeit entsteht beispielsweise durch die polarisationsabhängige Reflexion und Brechung bei schrägem Lichteinfall.
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Ein Weg, die Polarisationsabhängigkeit bei Dünnschichtfiltern zu verringern ist der Einsatz spezieller Schichtdesigns, die bei den betreffenden Wellenlängen für beide Polarisationsanteile sehr ähnliche Eigenschaften haben.
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Ein anderer Weg ist die Verwendung kleiner Einfallswinkel. Bei senkrechtem Einfall arbeiten die Filter polarisationsunabhängig. Bei kleinen Einfallswinkeln, beispielsweise unter 10°, können Polarisationseffekte hinreichend klein sein, um eine genaue Messung der Temperatur mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermöglichen.
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Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur ortsaufgelösten Temperaturmessung;
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2 eine beispielhafte Ausführungsform eines Polarisationsveränderers;
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3 ein Detail einer schematische Ansicht einer zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur ortsaufgelösten Temperaturmessung;
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4 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführunsform einer Vorrichtung zur ortsaufgelösten Temperaturmessung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 abgebildete Ausführungsform einer Vorrichtung zur ortsaufgelösten Temperaturmessung umfasst eine von Ansteuermitteln 1 angesteuerte Laserlichtquelle 2. Das Licht 3 der Laserlichtquelle 2 tritt durch einen Polarisationsveränderer 4 hindurch, der das Licht 3 depolarisieren oder den Polarisationszustand des Lichts 3 zeitlich und/oder räumlich verändern kann. Nach dem Hindurchtritt durch den Polarisationsveränderer 4 wird das Licht 3 über Einkoppelmittel, die einen Spektralteiler 5 und beispielsweise eine Linse 6 umfassen, in eine zur Temperaturmessung verwendete Lichtleitfaser 7 eingekoppelt.
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Die Linse 6 und der Spektralteiler 5 dienen auch als Auskoppelmittel und können die in der Lichtleitfaser 7 zurück gestreuten Anteile des von der Laserlichtquelle 2 erzeugten Lichts 3 schematisch angedeuteten Auswertemitteln 8 zuführen. Die Auswertemittel 8 umfassen beispielsweise einen Spektralteiler 9 für die Laserwellenlänge und die Ramanstreustrahlung sowie zwei Detektoren 10, 11 für die Stokes- und die anti-Stokes-Streustrahlung, vor denen nicht abgebildete Filter angeordnet sind. Weiterhin umfassen die Auswertemittel 8 zusätzlich noch eine Messelektronik 12. Weiterhin kann eventuell auch ein Detektor für die Rayleigh-Wellenlänge vorgesehen sein.
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Die Filter können einen Aufbau aufweisen, der für zueinander senkrechte lineare Polarisationen ähnliche Durchlasscharakteristiken ergibt. Insbesondere kann sich die Transmission beispielsweise bei einer nachzuweisenden Raman-Wellenlänge für zwei beziehungsweise für jede zwei zueinander senkrechte Polarisationsrichtungen um weniger als 1% unterscheiden. Dadurch wird der polarisationsabhängige Einfluss der Filter auf die Temperaturmessung minimiert.
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Die ortsaufgelöste Temperaturmessung in der Lichtleitfaser
7 kann dabei durch ein Verfahren erfolgen, das dem OFDR-Verfahren, wie es in der
EP 0 692 705 A1 beschrieben wird, entspricht. Insbesondere kann dabei das Licht
3 der Laserlichtquelle
2 frequenzmoduliert und in den Auswertemitteln
8 eine Fouriertransformation durchgeführt werden.
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Aus 1 ist weiterhin eine Verbindung 34 zwischen den Ansteuermitteln 1 der Laserlichtquelle 2 und der Messelektronik 12 ersichtlich. Diese Verbindung dient der Synchronisation von Laserlichtquelle 2 und Messelektronik 12.
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Aus 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Polarisationsveränderers 4 ersichtlich. Der abgebildete Polarisationsveränderer 4 umfasst einen Polarisations-Strahlteiler 13 sowie zwei Faraday-Spiegel 14, 15, die jeweils aus einem Spiegel und einem Polarisationsdreher bestehen. Als Polarisationsdreher kommt ein 45°-Faraday-Rotator oder ein Viertelwellenlängenplättchen in Betracht.
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Das Licht 3 der Laserlichtquelle 2 trifft von links in 2 auf den Polarisations-Strahlteiler 13. Das Licht 2 soll eine lineare Polarisation 16 aufweisen, die unter einem Winkel von 45° zur parallelen und zur senkrechten Polarisation beziehungsweise zu einer vertikalen Richtung in 2 ausgerichtet ist. Von dem Polarisations-Strahlteiler 13 wird ein erster Anteil 17 des Lichts 3 nach oben reflektiert. Dieser erste Anteil 17 weist eine Polarisation 18 auf, die einer parallelen Polarisation entspricht. Ein zweiter Anteil 19 des Lichts 3 wird von dem Polarisations-Strahlteiler 13 ungehindert hindurch gelassen. Dieser zweite Anteil 19 weist eine Polarisation 20 auf, die einer senkrechten Polarisation entspricht.
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Von dem ersten Faraday-Spiegel 14 wird der erste Anteil 17 nach unten in 2 reflektiert, wobei dessen Polarisation um 90° gedreht wird, so dass sie als senkrechte Polarisation 21 vorliegt. Von dem zweiten Faraday-Spiegel 15 wird der zweite Anteil 19 nach links in 2 reflektiert, wobei dessen Polarisation ebenfalls um 90° gedreht wird, so dass sie als parallele Polarisation 22 vorliegt. Die beiden Anteile 17, 19 werden bei dem erneuten Auftreffen auf den Polarisations-Strahlteiler 13 von diesem vereint und treten nach unten in 2 aus diesem aus.
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Der optische Weg des ersten Anteils 17 von dem Polarisations-Strahlteiler 13 über den ersten Faraday-Spiegel 14 zurück zu dem Polarisations-Strahlteiler 13 ist dabei kürzer als der optische Weg des zweiten Anteils 19 von dem Polarisations-Strahlteiler 13 über den zweiten Faraday-Spiegel 15 zurück zu dem Polarisations-Strahlteiler 13. Dies wird insbesondere über einen größeren Abstand zwischen dem Polarisations-Strahlteiler 13 und dem zweiten Faraday-Spiegel 15 im Vergleich zu dem Abstand zwischen dem Polarisations-Strahlteiler 13 und dem ersten Faraday-Spiegel 14 erreicht. Die daraus resultierende optische Wegdifferenz der Anteile 17, 19 soll größer als die Kohärenzlänge des Lichts 3 sein.
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In diesem Fall weist das nach unten in 2 aus dem Polarisations-Strahlteiler 13 austretende Licht 23 (siehe auch 1) sowohl einen Anteil mit senkrechter Polarisation 24 als auch einen Anteil mit paralleler Polarisation 25 auf, die nicht kohärent zueinander sind. Dadurch ergibt sich im Idealfall eine Depolarisation des Lichts 23.
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Der in
2 abgebildete Polarisationsveränderer
4 ist eines von vielen möglichen Beispielen. Dieses und weitere Beispiele für verwendbare Polarisationsveränderer sind in der
US 2007/0297054 A1 offenbart.
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3 zeigt einen Spektralteiler 26, der beispielsweise anstelle des Spektralteilers 5 in 1 verwendet werden kann. Der Spektralteiler 26 ist unter einem Winkel α von weniger als 10° gegenüber der Vertikalen 27 in 3 gekippt. Dadurch ist auch der Einfallswinkel, unter dem das Licht 3 auf den Spektralteiler 26 auftrifft, kleiner als 10°. Die aus der Lichtleitfaser 7 zurück gestreuten Anteile 28 des Lichts 3 werden von dem Spektralteiler 26 unter einem Winkel 2a reflektiert und in eine Lichtleitfaser 29 eingekoppelt, die die zu detektierenden Anteile 28 den Auswertemitteln 8 zuführen kann. Aufgrund des beinahe senkrechten Einfalls auf den Spektralteiler 26 funktioniert dieser weitgehend polarisationsunabhängig.
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Die aus 4 ersichtliche Ausführungsform einer Vorrichtung umfasst neben einer ersten Laserlichtquelle 2 eine zweite Laserlichtquelle 30, die ebenfalls von den Ansteuermitteln 1 angesteuert wird. Dabei weisen die beiden Laserlichtquellen 2, 30 eine unterschiedliche Polarisation, insbesondere eine zueinander senkrechte Linearpolarisation auf und sind nicht kohärent zueinander. Das Licht 3, 31 der Laserlichtquellen 2, 30 wird von einem Polarisationskoppler 32 zusammengeführt und über den Spektralteiler 5 und die Linse 6 in die Lichtleitfaser 7 eingekoppelt. Die in der Lichtleitfaser 7 zurück gestreuten Anteile des von den Laserlichtquellen 2, 30 erzeugten Lichts 3, 31 wird über die Linse 6 und den Spektralteiler 5 schematisch angedeuteten Auswertemitteln 8 zugeführt. Die Auswertemittel 8 umfassen beispielsweise einen Filter 33 für die Ramanstreustrahlung sowie einen Detektor 10 für die Stokes-Streustrahlung. Der Filter 33 ist dabei als auswechselbarer Filter ausgeführt, so dass die beide Kanäle (Stokes- und anti-Stokes-Streustrahlung) nacheinander gemessen werden. Weiterhin umfassen die Auswertemittel 8 zusätzlich noch eine Messelektronik 12.
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Aufgrund der Tatsache, dass das in der Lichtleitfaser 7 zurück gestreute Licht 3, 31 Anteile mit zueinander senkrechter Linearpolarisation aufweist, die nicht kohärent zueinander sind, werden die aus dem Stand der Technik bekannten polarisationsabhängigen Effekte weitgehend vermieden.
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Aus 4 ist weiterhin eine Verbindung 34 zwischen den Ansteuermitteln 1 der Laserlichtquellen 2, 30 und der Messelektronik 12 ersichtlich. Diese Verbindung dient der Synchronisation der Laserlichtquellen 2, 30 mit der Messelektronik 12.
