DE102009056058B4 - Vorrichtung zur Erzeugung von Anregungsstrahlung für selbstkalibrierende faseroptische Raman-Sensoren, Messeinrichtung zum Erfassen der Temperatur eines Messobjekts und Raman-Sensoranordnung - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Erzeugung von Anregungsstrahlung für selbstkalibrierende faseroptische Raman-Sensoren mit einer Laserquelle (4) zur Abgabe von Laserpulsen vorgegebener erster Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet,dass der Laserquelle (4) eine Lichtleitfaser (5) zum Einkoppeln der Laserpulse mit vorgegebener erster Wellenlänge (A1) zugeordnet ist, in der unter Ausnutzung der stimulierten Raman-Streuung eine Raman-Emissionslinie mit einer zweiten Wellenlänge (λ2) entsteht, die der durch die Laserpulse vorgegebener erster Wellenlänge (λ1) erzeugten Stokes-Linie (S1) entspricht, wobei die Raman-Emissionslinie mit der zweiten Wellenlänge (λ2) eine Anti-Stokes-Linie (aS2) erzeugt, die bei der vorgegebenen ersten Wellenlänge (λ1) der Laserpulse der Laserquelle (4) liegt,und dass am Ausgang der Lichtleitfaser (5) eine Vorrichtung (6) zum Trennen der Wellenlängen angeordnet ist, die die aus der Lichtleitfaser (5) austretende Strahlung in Pulse mit der vorgegebenen ersten Wellenlänge (A1) und Pulse mit der zweiten Wellenlänge (λ2) der induzierten Stokes-Linie (S1) aufteilt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Anregungsstrahlung für selbstkalibrierende faseroptische Raman-Sensoren mit einer Laserquelle zur Abgabe von Laserpulsen vorgegebener erster Wellenlänge sowie eine Messeinrichtung zum Erfassen der Temperatur eines Messobjekts.
- Faseroptische Raman-Sensoren sind zur ortsaufgelösten Erfassung von Temperaturen in Bauteilen seit längerem bekannt (
DE 40 19 980 A1 ). Dabei wird ein Laserstrahl, gepulst oder frequenzmoduliert, in eine Single-Mode- oder Multi-Mode-Lichtleitfaser eingekoppelt und das in der Faser für die frequenzverschobenen Stokes- und Anti-Stokes-Linien rückgestreute Licht zeitaufgelöst detektiert. Das Verhältnis der gemessenen Anti-Stokes- zu Stokes-Linienintensitäten ist insbesondere ein Maß für die Temperatur, da das Anti-Stokes-Signal als Zwei-Photonen-Prozess temperaturabhängig ist, das Stokes-Signal hingegen wird als Referenzsignal aufgenommen. Damit ergibt sich ein differentielles Verfahren. Sind in den Messkanälen für die zwei Signale die Systemparameter und mögliche Störgrößen identisch, so kürzen sich diese durch die Verhältnisbildung heraus, und es kann die Temperatur in dem Lichtleiter nach der folgenden Gleichung einfach bestimmt werden: - Dabei sind T die zu messende Temperatur, θ eine bekannte Referenztemperatur, kB die Boltzmann-Konstante, h das Planck'sche Wirkungsquantum, υ die Frequenz der Ramanverschiebung und R das Verhältnis von Anti-Stokes- zu Stokes-Intensität bei der jeweiligen Temperatur. Die Ortsauflösung ergibt sich durch zeitaufgelöste Messung R(t) für Anti-Stokes- und Stokes-Linie. Für eine Laserpulsdauer von 1 ns und einem Brechungsindex von n = 1,5 für Glas ergibt sich unter Berücksichtigung des hin- und zurücklaufenden Lichtpulses eine minimale Ortsauflösung von 10 cm. Vorausgesetzt wird dabei, dass das Detektionssystem zur zeitaufgelösten Fassung der Raman-Rückstreusignale ebenfalls eine Zeitauflösung von 1 ns hat.
- Die Genauigkeit der beschriebenen Messmethode wird durch den Umstand eingeschränkt, dass Anti-Stokes- und Stokes-Wellenlängen nicht identisch sind und von einer dritten Wellenlänge erzeugt werden, d. h., die induzierende Pumpwellenlänge ist immer verschieden von den Stokes- und Anti-Stokes-Linien. Somit erfahren die drei Wellenlängen bzw. die Signale mit den drei Wellenlängen in der Faser unterschiedliche Dämpfungen oder Störungen, bzw. Störungen auf der induzierenden Pumpwellenlänge sind nicht identisch mit den induzierten Raman-Wellenlängen auf den Stokes- und Anti-Stokes-Übergängen. Damit sind die Bedingungen für eine differentielle Methode nur eingeschränkt oder nicht erfüllt, was die Genauigkeit dieser Methode deutlich einschränken kann.
- Eine Lösung dieses Problems ist möglich, wenn anstelle einer Strahlung mit einer Wellenlänge zur Anregung zwei Lichtsignale mit zwei Wellen eingestrahlt werden, und zwar derart, dass der Frequenz- oder Wellenlängenabstand der beiden eingestrahlten Lasersignale mit den Wellenlängen
λ1 undλ2 so eingestellt ist, dass dieser Abstand der Ramanverschiebung in der verwendeten Faser entspricht. Dies ist in1 dargestellt, die das Prinzip eines faseroptischen Raman-Sensors mit Einstrahlung von zwei Wellenlängen darstellt. Wird beispielsweiseλ1 so gewählt, dass diese Wellenlänge identisch mit der Wellenlänge der Anti-Stokes-Linie aS2 ist, die durch den Laser mit der Wellenlänge A2 erzeugt wird, dann entspricht die Wellenlänge der Stokes-Linie S1, erzeugt vom Laser mit der Wellenlängeλ1 genau der Wellenlängeλ2 des zweiten Lasers. Diese Konfiguration hat zur Folge, dass Anti-Stokes- und Stokes-Wellenlängen jeweils von einer eingestrahlten Laserwellenlänge erzeugt werden, wobei die eingestrahlte Laserwellenlänge jeweils mit induzierten Stokes- bzw. Anti-Stokes-Linien identisch ist. Damit ist immer eine direkte Korrelation von Raman-verschobener Linie (Stokes- oder Anti-Stokes-) mit einer eingestrahlten Pumpwellenlänge gewährleistet, und die differentielle Messmethode kann ohne Einschränkungen erfüllt werden. Damit ist die Temperaturmessung von möglichen Systemparameterschwankungen unbeeinflusst. - In dem Stand der Technik der
GB 2181830 A - Aus der Druckschrift
DE 10 2007 048 135 A1 ist eine fluoreszenzmikroskopische Anordnung bekannt, bei der Licht aus einer Stokeslinie als Abregungslicht verwendet wird. Hierzu kann mittels eines wellenlängenselektiven Elements eine Stokes-Linien aus einem mehrere Stokes-Linien umfassenden Spektrum ausgewählt werden. Zusätzlich zu einer Faser zur Erzeugung der Stokes-Linien mit einem davor angeordneten Laser ist ein weiterer Laser zur Erzeugung des Anregungslichts vorgesehen. - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Anregungsstrahlung für selbstkalibrierende faseroptische Raman-Sensoren zu schaffen, bei der die beiden Wellenlängen für das benötigte Pumplicht präzise stabilisiert werden können, wobei der technische Aufwand gering gehalten wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
- Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
- Dadurch, dass der für die Anregungsstrahlung, d.h. das Pumplicht verwendeten Laserquelle, die Laserpulse mit einer vorgegebenen ersten Wellenlänge abstrahlt, eine Lichtleitfaser zum Einkoppeln der Laserpulse mit vorgegebener erster Wellenlänge zugeordnet ist, in der unter Ausnutzung der stimulierten Raman-Streuung eine Raman-Emissionslinie entsteht, die bei der durch die Laserpulse vorgegebener erster Wellenlänge erzeugten Stokes-Wellenlänge liegt, wobei die Raman-Emissionslinie mit der Stokes-Wellenlänge eine Anti-Stokes-Linie erzeugt, die bei der vorgegebenen ersten Wellenlänge der Laserpulse der Laserquelle liegt, und weiterhin am Ausgang der Lichtleitfaser eine Vorrichtung zum Trennen der Wellenlängen die aus der Lichtleitfaser austretende Strahlung in Pulse mit der vorgegebenen ersten Wellenlänge und Pulse mit der induzierten Stokes-Wellenlänge als zweite Wellenlänge aufteilt, wird eine selbstkalibrierende Strahlquelle geschaffen, d. h. eine Strahlquelle mit zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlängen, die präzise stabilisiert sind, wobei der technische Aufwand in Bezug auf den Stand der Technik deutlich reduziert wird. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist keine Feinabstimmung der Laserwellenlängen auf die Ramanverschiebung notwendig, da durch Nutzung des stimulierten Raman-Effektes für die eingestrahlte Pumpwellenlänge die so erzeugte zweite Laserwellenlänge immer exakt der Ramanverschiebung von Stokes bzw. Anti-Stokes, die durch die Pumpwellenlänge induziert wird, entspricht. Damit ist erstmals eine vollständige selbstkalibrierende Messanordnung möglich, die keine aufwendige Elektronik zur Feinabstimmung/Stabilisierung der beiden Wellenlängen benötigt.
- Die für das Trennen der Wellenlängen der aus der Lichtleitfaser austretenden Strahlung in die Pulse der vorgegebenen ersten Wellenlänge und Pulse mit der induzierten Stokes-Wellenlänge als zweite Wellenlänge benötigte Vorrichtung ist vorzugsweise ein dispersives Element mit einem nachgeschalteten faseroptischen Schalter, der die Pulse mit den beiden Wellenlängen alternierend zum Einkoppeln in eine Messfaser bereitstellt. Es kann aber auch ein faseroptischer Schalter mit zwei Ausgängen und zwei dem jeweiligen Ausgang zugeordneten Filtern vorgesehen werden, die jeweils nur eine Wellenlänge durchlassen, wobei eine Vorrichtung zum Zusammenführen der jeweils durch die Filter durchgelassenen Strahlung zur Einkopplung in eine Messfaser vorgesehen ist. Da die bei den Alternativen verwendeten Bauelemente übliche optische Bauelemente sind, wird weiterhin zur Reduktion des technischen Aufwandes beigetragen. Die Faserschalter ermöglichen eine schnelle Umschaltung im Millisekundentakt zwischen der Strahlung der beiden Wellenlängen.
- Für die Filter können vorteilhafterweise Faser-Bragg-Gitter eingesetzt werden. Auch das dispersive Element kann üblicherweise als Gitter oder Prisma ausgebildet sein.
- Besonders vorteilhaft ist, dass die Intensität der Strahlung der zweiten Wellenlänge durch geeignete Wahl der Faserlänge an die Intensität der Strahlung der ersten Wellenlänge angepasst werden kann, d.h. es wird eine Faserlänge gewählt, bei der die erste Stokes-Ordnung im Vergleich zur Pumpwellenlänge recht stark ausgebildet ist, höhere Ordnungen aber möglichst schwach bleiben.
- In vorteilhafter Weise kann somit eine Messeinrichtung zum Erfassen der Temperatur eines Messobjekts mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem als Messfaser ausgebildeten Raman-Sensor hergestellt werden, in die die alternierenden Pulse der ersten und zweiten Wellenlängen einkoppelbar sind, wobei Mittel zur selektiven Erfassung der Raman-Streuung der induzierten Stokes- und Anti-Stokes-Linien und Auswertung ihrer Intensitäten umfasst sind. Wie ausgeführt, ist es damit möglich, eine komplette selbstkalibrierende Messeinrichtung zur Verfügung zu stellen, die gegenüber bekannten Messeinrichtungen die Möglichkeit bietet, ein vergleichsweise einfaches System aufzubauen, welches keine präzise Regelung der Laserparameter benötigt und mit lediglich einer Strahlquelle bzw. Laserquelle auskommt.
- Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung Bestandteil einer Raman-Sensoranordnung sein, die eine Messfaser und eine Auswerteeinheit zur Erfassung und Auswertung der Strahlung der Messfaser umfasst. Ein solcher Sensor ist beispielsweise in OTDR (optical time domain reflectometry)-Verfahren einsetzbar, um Spleiße oder Knicke in einer Faser, hier der Messfaser, festzustellen.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 das Funktionsprinzip eines zwei-Wellenlängen-faseroptischen Raman-Sensors, -
2 Emissionsspektren für zwei Wellenlängen, -
3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen der Temperatur oder der mechanischen Belastung eines Messobjektes in schematischer Darstellung, -
4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung von Pumplicht und -
5 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Pumplicht in schematischer Darstellung. - In
3 ist schematisch eine Messeinrichtung zum Erfassen der Temperatur eines Messobjektes dargestellt, die eine näher in den4 und5 gezeigte Vorrichtung1 zur Erzeugung von Anregungsstrahlung bzw. Pumplicht, einen faseroptischen Raman-Sensor2 in Form einer Messfaser und eine Auswerteeinheit3 umfasst. Die Vorrichtung1 zur Erzeugung von Pumplicht weist einen Pulslaser4 , z. B. einen passiv gütegeschalteten Nd:Cr4+:YAG-Laser und einen Lichtleiter5 sowie eine Einheit6 zur Trennung von Wellenlängen auf. - Die Laserquelle
4 erzeugt beispielsweise eine Anregungsstrahlung bzw. ein Pumplicht mit der Wellenlänge von 1064 nm oder deren Harmonische, z. B. 532 nm, es sind jedoch auch beispielsweise Wellenlängen von 1,54 µm und deren Harmonische möglich. Im Ausführungsbeispiel entsprechend3 wird eine Wellenlängeλ1 von 532 nm verwendet. Das Pumplicht wird als Laserpulse in die Lichtleitfaser5 eingekoppelt, die beispielsweise identisch mit der Messfaser2 ist. In der Lichtleitfaser5 entsteht aufgrund der hohen Pulsspitzenleistungen (Pmax=W/τ, W = Pulsenergie, τ = Pulsdauer) durch den stimulierten Raman-Effekt eine Emissionslinie, die exakt bei der Wellenlängeλ2 der Stokes-Linie S1 liegt, die durch die Pumpwellenlängeλ1 erzeugt wird (siehe1 ). Gleichzeitig erzeugt aufgrund der Raman-Streuung die induzierte Raman-Linie mit der Wellenlängeλ2 (Emissionslinie) eine Anti-Stokes-Linie aS2, die exakt bei der Pumpwellenlängeλ1 liegt. - Die
2 zeigt das Intensitätsspektrum der auf diese Art simultan erzeugten Wellenlängen A1 und A2, d. h.,2 zeigt das Emissionsspektrum mit der Wellenlängeλ1 = 532 nm als Pumpwellenlänge und A2 = 545 nm als stimulierte Raman-Linie sowie höhere Stokes-Ordnungen bei Verwendung eines frequenzverdoppelten, passiv gütegeschalteten Nd:YAG-Mikrochiplasers als Pumplaser, wobei die mit „Counts“ bezeichnete Ordinate das Spektrometersignal darstellt. Würde das Maximum auf 1 normiert, ergäbe sich eine relative spektrale Leistungsdichte. - Die Intensität der durch die Laserpulse mit der Pumpwellenlänge
λ1 induzierten Raman-Linie mit der Stokes-Wellenlänge S1 = A2 wird der Intensität der Pumpstrahlung mit Wellenlängeλ1 dadurch angepasst, dass die Länge der Lichtleitfaser5 entsprechend angepasst wird. Im Ausführungsbeispiel der2 beträgt die verwendete Faserlänge600 m. - Am Ausgang der Lichtleitfaser
5 , der die Pulssignale entsprechend2 liefert, liegt die Einheit6 zur Trennung der Wellenlängen an, die entsprechend den Ausführungen der4 und der5 ausgebildet sein kann. Nach4 wird die aus der Lichtleitfaser austretende Strahlung über eine Linse7 auf ein dispersives Element geleitet, das im Ausführungsbeispiel als Gitter8 ausgebildet ist und das die auftreffende Strahlung9 in zwei Strahlengänge10 ,11 der Wellenlängenλ1 undλ2 entsprechend2 durch Beugung aufteilt. Die Strahlung der Strahlengänge10 ,11 wird über Linsen12 in jeweils einen Eingang eines faseroptischen Schalters13 eingekoppelt, der an seinem Ausgang alternierend Lichtpulse als Pumplicht mit den Wellenlängenλ1 undλ2 zur Verfügung stellt und taktweise im Millisekundenbereich zwischen dem Licht der unterschiedlichen Wellenlängen umschaltet. Das so am Ausgang des Faserschalters13 anliegende Pumplicht wird in die Messfaser2 eingekoppelt, wie durch den Pfeil14 angedeutet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Strahlung9 im Freistrahl über das Gitter8 aufgeteilt und wieder in den faseroptischen Schalter13 eingekoppelt. - In dem Ausführungsbeispiel nach
5 , das ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Einheit6 zum Trennen der Wellenlängen darstellt, wird innerhalb der Einheit6 die Strahlung in Lichtleitern geführt. Dabei wird der Ausgang der Lichtleitfaser5 mit dem Eingang eines faseroptischen Schalters15 verbunden, der zwei Ausgänge aufweist, wobei in die Ausgänge16 ,17 jeweils ein Faser-Bragg-Gitter18 ,19 eingesetzt ist, die jeweils als Stoppfilter für die Wellenlängeλ1 oderλ2 wirken, so dass pro Ausgang16 ,17 nur die Strahlung mit einer der beiden Wellenlängenλ1 undλ2 passieren kann. Anschließend werden beide Kanäle mit einem Y-Koppler, der als Faserstecker ausgebildet sein kann, kombiniert und der Messfaser2 entsprechend dem Pfeil14 zugeführt. Der Faserschalter15 schaltet zwischen der Strahlung mit der Wellenlängeλ1 und der der Wellenlängeλ2 im Millisekundentakt um. - In
4 kann anstelle des Gitters8 auch ein Prisma verwendet werden, und in5 können anstelle der Faser-Bragg-Gitter18 ,19 Filter eingesetzt werden. - Die Messvorrichtung gemäß
3 wird primär in der hochauflösenden fasergekoppelten Temperaturmessung angewendet. Von besonderem Interesse sind dabei Temperaturmessungen in Energiekabeln. Hierzu wird der selbstkalibrierende faseroptische Sensor, der der Messfaser2 entspricht, in den Mantel des Energiekabels integriert. Im Falle von sogenannten „Hotspots“ oder Erdschlüssen kann die resultierende Temperaturerhöhung oder -änderung mit hoher Genauigkeit vermessen werden. Die Ortsauflösung kann dabei in Abhängigkeit von der verwendeten Laserstrahlquelle bis zu 10 cm betragen. Mit einer solchen Anordnung kann die Messvorrichtung zur Langzeitüberwachung des thermischen Belastungszustandes von Energiekabeln eingesetzt werden.
Claims (11)
- Vorrichtung zur Erzeugung von Anregungsstrahlung für selbstkalibrierende faseroptische Raman-Sensoren mit einer Laserquelle (4) zur Abgabe von Laserpulsen vorgegebener erster Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserquelle (4) eine Lichtleitfaser (5) zum Einkoppeln der Laserpulse mit vorgegebener erster Wellenlänge (A1) zugeordnet ist, in der unter Ausnutzung der stimulierten Raman-Streuung eine Raman-Emissionslinie mit einer zweiten Wellenlänge (λ2) entsteht, die der durch die Laserpulse vorgegebener erster Wellenlänge (λ1) erzeugten Stokes-Linie (S1) entspricht, wobei die Raman-Emissionslinie mit der zweiten Wellenlänge (λ2) eine Anti-Stokes-Linie (aS2) erzeugt, die bei der vorgegebenen ersten Wellenlänge (λ1) der Laserpulse der Laserquelle (4) liegt, und dass am Ausgang der Lichtleitfaser (5) eine Vorrichtung (6) zum Trennen der Wellenlängen angeordnet ist, die die aus der Lichtleitfaser (5) austretende Strahlung in Pulse mit der vorgegebenen ersten Wellenlänge (A1) und Pulse mit der zweiten Wellenlänge (λ2) der induzierten Stokes-Linie (S1) aufteilt.
- Vorrichtung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) zum Trennen der Wellenlängen (A1, A2) ein dispersives Element (8) mit einem nachgeschalteten faseroptischen Schalter (13) aufweist, der die Pulse mit den beiden Wellenlängen (A1, A2) alternierend zum Einkoppeln in eine Messfaser (2) bereitstellt. - Vorrichtung nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element ein Gitter (8) oder ein Prisma ist. - Vorrichtung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) zum Trennen der Wellenlängen (λ1, λ2) einen faseroptischen Schalter (15) mit zwei Ausgängen (16, 17) und zwei dem jeweiligen Ausgang zugeordneten Filtern (18, 19), die jeweils nur eine Wellenlänge durchlassen, und eine Vorrichtung (20) zum Zusammenführen der jeweils durch die Filter (18, 19) durchgelassenen Strahlung zum Einkoppeln in eine Messfaser (2) aufweist. - Vorrichtung nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Filter Faser-Bragg-Gitter (18, 19) sind. - Vorrichtung nach
Anspruch 4 oderAnspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) zum Zusammenführen ein Y-Koppler, vorzugsweise ein Y-Faserstecker (20), ist. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 2 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Schalter (13, 15) im Millisekunden-Takt zwischen der Strahlung der ersten Wellenlänge (A1) und der der zweiten Wellenlänge (A2) umschaltet. - Vorrichtung nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge (A1) bei 532 nm und die zweite Wellenlänge (A2) bei 545 nm liegt. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Strahlung der zweiten Wellenlänge (A2) an die Intensität der Strahlung der ersten Wellenlänge (λ1) durch Wahl der Länge der Lichtleitfaser (5) anpassbar ist. - Messeinrichtung zum Erfassen der Temperatur eines Messobjekts mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Anregungsstrahlung nach einem der
Ansprüche 1 bis9 und einem als Messfaser (2) ausgebildeten Raman-Sensor, in die die alternierenden Pulse der ersten und zweiten Wellenlängen (λ1, λ2) einkoppelbar sind, wobei Mittel (3) zur selektiven Erfassung der Raman-Streuung der in der Messfaser induzierten Stokes- und Anti-Stokes-Linien und Auswertung ihrer Intensitäten zur Bestimmung der Temperatur umfasst sind. - Raman-Sensoranordnung mit einer Messfaser (2), einer Vorrichtung (1) zur Erzeugung von Anregungsstrahlung nach einem der
Ansprüche 1 bis9 , deren Ausgangsstrahlung in die Messfaser einkoppelbar ist, und einer Auswerteeinheit zur Erfassung und Auswertung der Strahlung der Messfaser.
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CN111537485A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-08-14 | 厦门斯坦道科学仪器股份有限公司 | 基于全光纤的原位水质荧光监测系统及其应用 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2181830A (en) | 1985-10-18 | 1987-04-29 | Central Electr Generat Board | Temperature measurement |
DE4019980A1 (de) | 1989-06-22 | 1991-01-03 | Hitachi Cable | Temperatursensoranordnung, die ueber eine faseroptik verteilt ist |
US6674773B1 (en) | 2001-12-10 | 2004-01-06 | Corning Incorporated | Multi-wavelength Raman laser |
EP1531563A1 (de) | 2003-11-14 | 2005-05-18 | Alcatel Alsthom Compagnie Generale D'electricite | Ramanverstärker mit verschiedenen Ordnungen |
US20050147370A1 (en) | 2001-09-28 | 2005-07-07 | University Of Southampton | Optical fibre-based devices utilising the raman effect |
DE60024002T2 (de) | 1999-08-06 | 2006-07-13 | Lucent Technologies Inc. | Anordnung mit faseroptischer Ramanvorrichtung |
DE602004001038T2 (de) | 2004-01-08 | 2006-10-26 | Alcatel | Kaskadierter Ramanlaser mit ungepaartem Reflektor |
DE102007048135A1 (de) | 2007-10-05 | 2009-04-16 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Fluoreszenzlichtmikroskopisches Messen einer Probe mit rotverschobenen Stokes-Linien |
US7620077B2 (en) | 2005-07-08 | 2009-11-17 | Lockheed Martin Corporation | Apparatus and method for pumping and operating optical parametric oscillators using DFB fiber lasers |
-
2009
- 2009-11-25 DE DE102009056058.0A patent/DE102009056058B4/de active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2181830A (en) | 1985-10-18 | 1987-04-29 | Central Electr Generat Board | Temperature measurement |
DE4019980A1 (de) | 1989-06-22 | 1991-01-03 | Hitachi Cable | Temperatursensoranordnung, die ueber eine faseroptik verteilt ist |
DE60024002T2 (de) | 1999-08-06 | 2006-07-13 | Lucent Technologies Inc. | Anordnung mit faseroptischer Ramanvorrichtung |
US20050147370A1 (en) | 2001-09-28 | 2005-07-07 | University Of Southampton | Optical fibre-based devices utilising the raman effect |
US6674773B1 (en) | 2001-12-10 | 2004-01-06 | Corning Incorporated | Multi-wavelength Raman laser |
EP1531563A1 (de) | 2003-11-14 | 2005-05-18 | Alcatel Alsthom Compagnie Generale D'electricite | Ramanverstärker mit verschiedenen Ordnungen |
DE602004001038T2 (de) | 2004-01-08 | 2006-10-26 | Alcatel | Kaskadierter Ramanlaser mit ungepaartem Reflektor |
US7620077B2 (en) | 2005-07-08 | 2009-11-17 | Lockheed Martin Corporation | Apparatus and method for pumping and operating optical parametric oscillators using DFB fiber lasers |
DE102007048135A1 (de) | 2007-10-05 | 2009-04-16 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Fluoreszenzlichtmikroskopisches Messen einer Probe mit rotverschobenen Stokes-Linien |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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