DE19844976C2 - Optische Anordnung mit einem Interferometer zur Bestimmung einer Wellenlängenänderung und Verwendung der Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit einer optoelektronischen Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Wellenlängenänderung. Insbesondere soll die Wellenlängen­ änderung dabei hochaufgelöst bestimmt werden. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der Anordnung. Die Wellen­ längenänderung kann sich als Reaktion auf eine zu messende, physikalische Größe, wie beispielsweise eine Temperatur, eine Vibration, eine Beschleunigung, ein elektrisches oder ein magnetisches Feld einstellen; sie kann aber auch als uner­ wünschte Schwankung eines von einer Lichtquelle emittierten Lichtsignals vorliegen.

Eine optische Faser wird besonders dann zur Messung einer physikalischen Größe eingesetzt, wenn die Einsatzbedingung eine Messung mit einem anderen Sensor erschwert, also z. B. bei einer hohen Temperatur, in korrosiver Umgebung oder unter dem Einfluß einer starken elektromagnetischen Störung.

Insbesondere ein in die optische Faser eingebrachtes Faser- Bragg-Gitter eignet sich aufgrund seines einfachen Aufbaus besonders gut als Meßaufnehmer und wird deshalb seit einiger Zeit zur faseroptischen Sensorik eingesetzt. Hierbei steht die Temperatur- und Dehnungsmessung im Vordergrund. Andere Meßgrößen sind jedoch ebenfalls möglich. Die Meßgröße bewirkt dabei eine Dehnung der optischen Faser am Ort des Faser- Bragg-Gitters, so daß sich dessen Bragg-Wellenlänge ver­ ändert. Entsprechend muß auch eine durch diese Dehnung her­ vorgerufene Wellenlängenänderung eines an dem Faser-Bragg- Gitter reflektierten Lichtsignals durch eine geeignete opto­ elektronische Auswertung detektiert werden, um auf die Meß­ größe zurückzuschließen.

Für die absolute Messung einer stationären Meßgröße wird zur Bestimmung der Bragg-Wellenlänge bevorzugt ein absolut mes­ sender, optischer Spektralanalysator in verschiedenen Aus­ prägungen, beispielsweise mit einem Kantenfilter, einem Gitterspektrometer oder auch mit Fabry-Perot-Etalons, ver­ wendet.

Für die Detektion von schnellen Schwankungen einer Meßgröße eignet sich dagegen ein Verfahren zur Messung der Änderung der Bragg-Wellenlänge.

In dem Aufsatz "High-resolution fiber-grating based strain sensor with interferometric wavelength-shift detection" von A. D. Kersey et al., Electronics Letters, Vol. 28, No. 3, S. 236-238 (1992) wird die Messung von Dehnungsschwingungen be­ schrieben. Die Änderung der Bragg-Wellenlängen wird hier mittels eines Zweistrahl-Interferometers mit unsymmetrischen Armlängen bestimmt. Aus den unterschiedlichen Armlängen resultiert eine Phasenänderung bei Änderung der Meßgröße, die zur Messung der Dehnungsänderung zeitaufgelöst detektiert wird. Die übliche Auflösungsgrenze liegt hier bei 1-10 nε/Hz^1/2 für die Schwingungsamplitude der dimensions­ losen, mechanischen Dehnung ε bezogen auf die Quadratwurzel aus einem Hertz und für einen Frequenzbereich oberhalb von 10 Hz.

Der Effekt der Phasenänderung im Zweistrahl-Interferometer bei Änderung der Meßgröße wird auch in einem aus dem Aufsatz "In-fibre Bragg grating sensors" von Y.-J. Rao, Measurement Science and Technology, Vol. 8, S. 355-375 (1997) bekannten Auswerteverfahren mittels eines Interferometers ausgenutzt.

Aus dem Aufsatz "Fiber laser sensor with ultrahigh strain resolution using interferometric interrogation" von K. P. Koo und A. D. Kersey, Electronics Letters Vol. 31, No. 14, S. 1180-1182 (1995) ist eine weitere Methode zur hochaufgelösten Messung einer auf Dehnungsschwingungen beruhenden Wellenlängenänderung bekannt. Diese Methode bedient sich anstelle eines einfachen Faser-Bragg-Gitters eines Faser-Bragg-Gitter- Lasers als sensitive Einrichtung. Zwei Faser-Bragg-Gitter wirken dabei als Laserspiegel, die die Kavität des Lasers an beiden Enden begrenzen. Eine Dehnung der Faser verändert die Länge der Kavität und führt damit zu einer Änderung der Laserwellenlänge. Die Wellenlängenänderung wird mit einer Interferometeranordnung gemessen. Mit diesem Aufbau konnten Dehnungsschwingungen mit einer Auflösung < 1 pε/Hz^1/2 bei einer Frequenz von 7 kHz gemessen werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist allerdings, daß ein spezielles Sensorelement (hier: erbiumdotierte Faser mit zwei Faser-Bragg-Gittern) und ein Pumplaser benötigt werden.

In dem Aufsatz "Sub-nanostrain strain measurement using a pi­ phase shifted grating" von M. LeBlanc et al., Proceedings of the OFS '97, Williamsburg, USA, S. 28-30 (1997) wird beschrie­ ben, daß als Sensorelement auch ein spezielles Faser-Bragg- Gitter, nämlich ein π-phasenverschobenes Faser-Bragg-Gitter, eingesetzt und dieses Faser-Bragg-Gitter mit einem wellen­ längenabstimmbaren Laser bestrahlt werden kann, um die Meß­ empfindlichkeit zu erhöhen. Detektiert wird dann eine reflek­ tierte Lichtintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Bragg-Wellenlänge kann durch Messung der Intensität bei Veränderung der Wellenlänge des Lasers bestimmt werden. Zur genaueren Detektion wird hier eine Dithering-Technik ein­ gesetzt. Mit diesem Verfahren kann eine Meßauflösung von unter 1 nε/Hz^1/2 erreicht werden. Auch bei diesem Sensor­ element handelt es sich allerdings um ein spezielles Faser- Bragg-Gitter. Außerdem wird eine abstimmbare Laserlichtquelle benötigt, die im Vergleich zu der bei der interferometrischen Auswertung benutzten, breitbandigen Lichtquelle wesentlich teuerer ist.

Aus dem Aufsatz "A review of recent developments in fiber optic sensor technology" von A. D. Kersey, Optical Fiber Technology, Vol. 2, S. 291-317, (1996) kann man außerdem entnehmen, daß zum Nachweis einer dehnungsinduzierten Ände­ rung der Bragg-Wellenlänge eines Faser-Bragg-Gitters bei einer interferometrischen Auswertung ein Modulations- und Demodulationsverfahren verwendet werden kann.

Ein weitere Anwendung einer hochaufgelösten Detektion einer Wellenlängenänderung kommt auf einem anderen Gebiet der Sen­ sorik vor. So benötigt man insbesondere für die über eine sehr große Meßlänge verteilte, faseroptische Sensorik und auch für die interferometrische Meßtechnik im allgemeinen eine frequenzstabile, d. h. wellenlängenstabile Lichtquelle. Um die Wellenlänge der Lichtquelle aktiv regeln zu können, müssen zunächst Abweichungen in der emittierten Wellenlänge hochauf­ gelöst gemessen werden.

In dem Aufsatz "Development of a distributed sensing technique using Brillouin scattering" von T. Horiguchi et al., Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-13, No. 7, pp. 1296- 1302, (1995) wird eine Anordnung zur verteilten, faseropti­ schen Messung von Dehnungsschwingungen mittels des Brillouin- Effekts beschrieben. Die Messung erfolgt dabei über eine Meßlänge von mehreren Kilometern. Um die Brillouin-Frequenz und damit den Dehnungszustand der optischen Faser bestimmen zu können, wird eine extrem frequenzstabile Lichtquelle in Form eines aktiv stabilisierten Halbleiter- oder Festkörper- Lasers eingesetzt. Im Rückkopplungszweig zur Wellenlängen­ stabilisierung ist zur Detektion einer schnellen Wellenlän­ genänderung ein Zweistrahl-Interferometer angeordnet. Eine kleine Wellenlängenänderung kann dabei nur über eine große Differenz der Armlängen beider Interferometerarme detektiert werden. Bei einem faseroptischen Interferometer-Aufbau führt eine große Armlängendifferenz jedoch zu einer hohen Empfind­ lichkeit gegenüber einem Störeinfluß, wie einer Schwankung der Umgebungstemperatur oder einer akustischen Schwingung.

Weiterhin ist aus der US 5,742,714 eine optische Anordnung bekannt, die einen Laser und eine optoelektronsiche Einheit mit einem Interferometer umfaßt. Das Interferometer weist zwei Interferometerarme auf, die jeweils ein gechirptes Bragg-Gitter enthalten. Die optische Anordnung umfaßt weiterhin einen Detektor und einen Lasertreiber. Der Detektor gibt ein Signal an den Lasertreiber ab, so daß die emittierte Wellenlänge des Lasers geregelt wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Wellen­ längenänderung mit hoher Auflösung auf preiswerte und zuver­ lässige Art und Weise zu detektieren. Bei einer Anwendung auf dem Gebiet der Bragg-Sensorik soll dabei insbesondere keine aufwendige Lichtquelle und außerdem als Sensorelement ein einfaches Faser-Bragg-Gitter verwendet werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung der eingangs be­ zeichneten Art entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen, optischen Anordnung handelt es sich um eine Anordnung, welche mindestens umfaßt:

• a) eine Lichtquelle,
• b) eine optoelektronische Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Wellenlängenänderung eines in die optoelektronische Auswerteeinheit eintretenden Lichtsignals, wobei
  • 1. die optoelektronische Auswerteeinheit ein Interferometer mit zwei Interferometerarmen beinhaltet, und
  • 2. in mindestens einem der beiden Interferometerarme minde­ stens ein Element mit wellenlängenabhängigem Reflexions­ ort angeordnet ist, und
• c) eine zwischen der Lichtquelle und der optoelektrischen Auswerteeinheit angeordnete, optische Wegstrecke, die eine optische Faser mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter mit gegebener Bragg-Wellenlänge beinhaltet.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß sich eine Wellenlängenänderung mit sehr hoher Auflösung detektieren läßt, wenn zur optoelektronischen Auswertung ein Interferometer mit einem wellenlängenabhängigen Reflexionsort zumin­ dest in einem Interferometerarm eingesetzt wird. Diese Maß­ nahme führt dazu, daß ein in das Interferometer eintretendes Lichtsignal in dem betreffenden Interferometerarm eine von seiner Wellenlänge abhängige, optische Weglänge zurücklegt. Damit weisen die reflektierten Anteile zweier Teillicht­ signale, von denen sich jeweils eines in einem der beiden Interferometerarme ausbreitet, eine von der Wellenlänge des eintretenden Lichtsignals abhängige Phasenverschiebung auf. Diese wellenlängenabhängige Phasenverschiebung kann dann auf einfache Weise und zudem hochgenau detektiert werden. Dazu läßt man die reflektierten Anteile der beiden Teillicht­ signale zu einem austretenden Lichtsignal interferieren, welches anschließend weiter bearbeitet wird.

Im Gegensatz zu der bekannten Auswertung mit einem Michelson- oder einem Mach-Zehnder-Interferometer mit von vornherein unterschiedlichen, jedoch konstanten Armlängen in beiden Interferometerarmen ändert sich bei der Erfindung die optisch wirksame Armlänge mindestens eines Interferometerarms in Abhängigkeit von der eingestrahlten Wellenlänge. Dies führt bei vorgegebener Wellenlängenänderung zu einer größeren Phasenverschiebung als bei den bekannten Auswertungen. Damit läßt sich aber bei ansonsten gleicher Empfindlichkeit der optoelektronischen Auswerteeinheit eine kleinere Wellen­ längenänderung messen.

Die Herkunft der Wellenlängenänderung spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Sie kann beispielsweise von einer Dehnungsänderung eines in eine optische Faser eingebrachten Faser-Bragg-Gitters herrühren. In diesem Fall können optische Standardmittel, insbesondere als Sensorelement ein einfaches Faser-Bragg-Gitter und auch eine normale breitbandige Licht­ quelle, eingesetzt werden, ohne daß dadurch die hohe Auf­ lösung beeinträchtigt wird. Die zu detektierende Wellen­ längenänderung kann aber auch von der Lichtquelle selbst hervorgerufen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung gemäß der Er­ findung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Element mit wellenlängenabhängigem Reflexionsort als gechirptes Bragg- Gitter ausgebildet. Es gibt eine Ausführungsform, bei der nur ein solches gechirptes Bragg-Gitter in einem Interferometer­ arm vorgesehen ist. Dieses ist dann beispielsweise einem Sensorelement, d. h. einem in der optischen Faser angeordneten Faser-Bragg-Gitter zugeordnet. Eine andere, bevorzugte Aus­ führungsform enthält jedoch pro Sensorelement jeweils ein gechirptes Bragg-Gitter in beiden Interferometerarmen. Im letzteren Fall bilden die beiden in unterschiedlichen Inter­ ferometerarmen angeordneten gechirpten Bragg-Gitter, die einem Sensorelement zugeordnet sind, ein Gitterpaar. Vorteil­ haft können die gechirpten Bragg-Gitter eines Gitterpaars dabei insbesondere zueinander gleich- oder gegenläufig ge­ chirpt sein. Dadurch läßt sich die Empfindlichkeit weiter steigern. Diese Möglichkeit zur Erhöhung der Empfindlichkeit kann allgemein eingesetzt werden, d. h. auch bei der Detektion einer Wellenlängenänderung, die von der Lichtquelle selbst stammt.

Ein gechirptes Bragg-Gitter läßt sich sehr einfach, insbeson­ dere in faseroptischer oder integriert-optischer Form, reali­ sieren. In einer faseroptischen Ausführung dehnt sich so ein gechirptes Bragg-Gitter beispielsweise über einen Faserbe­ reich von wenigen Millimetern aus und hat im Gegensatz zu einem einfachen, d. h. ungechirpten Bragg-Gitter je nach ein­ gestrahlter Wellenlänge einen anderen Reflexionsfaktor und auch einen anderen Reflexionsort.

Das gechirpte Bragg-Gitter wird so angeordnet, daß sich bei einer Veränderung der Wellenlänge des eintretenden Licht­ signals die Abstände zwischen einem als Koppler ausgebildeten Strahlverzweigungspunkt und den aktuellen Reflexionspunkten in beiden Interferometerramen verändern. Damit verändert sich auch eine Differenz der optisch wirksamen Armlängen in beiden Interferometerarmen. Dies führt dann zu der bereits genannten, wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung zwischen den re­ flektierten Anteilen der beiden Teillichtsignale.

Zur besseren Auswertung der Phasenverschiebung ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, in mindestens einen Interferometerarm zusätzlich mindestens einen optischen Phasenmodulator einzufügen. Als Phasenmodulator kann hierfür beispielsweise ein piezoelektrisch angeregter, faseroptischer oder auch ein insbesondere integriert-optischer, elektro­ optischer Modulator verwendet werden.

In einer optoelektrischen Wandlereinheit wird dann das zu­ sätzlich phasenmodulierte, austretende Lichtsignal in ein elektrisches Signal gewandelt, das einer nachgeschalteten Phasendemodulationseinheit zugeführt wird. Diese ermittelt aus dem zeitlichen Verlauf der Phase ein Meßsignal für die zeitliche Wellenlängenänderung. Bei der sensorischen Anwen­ dung entspricht diese Wellenlängenänderung dann der Dehnungs­ änderung an der Meßstelle, d. h. am Ort des Sensorelements.

Speziell bei der sensorischen Anwendung läßt sich das Meß­ prinzip auch auf eine andere vorteilhafte Ausgestaltung zur Bestimmung von Dehnungsänderungen an mehreren, räumlich von­ einander beabstandeten Meßstellen erweitern. Hierzu sind mehrere Faser-Bragg-Gitter als Sensorelemente sequentiell in der optischen Faser angeordnet. Die Faser-Bragg-Gitter unter­ scheiden sich in ihrer Bragg-Wellenlänge voneinander, so daß sich die Dehnungsänderung eines einzelnen Faser-Bragg-Gitters auch nur als Wellenlängenänderung eines spektralen Anteils des von der Gesamtheit aller Faser-Bragg-Gitter reflektierten Lichtsignals auswirkt.

Zur Trennung der von den einzelenen Faser-Bragg-Gittern her­ rührenden Wellenlängenänderungen ist pro Sensorelement ent­ weder ein gechirptes Bragg-Gitter in einem der beiden Inter­ ferometerarme oder ein Gitterpaar mit jeweils einem gechirp­ ten Bragg-Gitter in beiden Interferometerarmen vorhanden. Die jeweils unterschiedlichen, Faser-Bragg-Gittern zugeordneten, gechirpten Bragg-Gitter unterscheiden sich in ihrer jeweili­ gen mittleren Bragg-Wellenlänge genau wie die Faser-Bragg- Gitter der Sensorelemente in ihrer Bragg-Wellenlänge. Somit sind die einzelnen spektralen Anteile des in die optoelektro­ nische Auswerteeinheit eintretenden Lichtsignals in eindeutiger Weise einem gechirpten Bragg-Gitter oder einem Gitterpaar zugeordnet. Eine selektive Auswertung ist somit möglich.

Vorteilhaft ist zur Verbesserung der Auswertung jedem ge­ chirpten Bragg-Gitter oder jedem Gitterpaar ein gesonderter Phasenmodulator bzw. ein gesondertes Modulatorpaar aus zwei Phasenmodulatoren zugeordnet. Zur gegenseitigen Unterschei­ dung werden die Phasenmodulatoren oder die Modulatorpaare mit jeweils unterschiedlicher Modulationsfrequenz betrieben. Aus dem aus dem Interferometer austretenden, mehrfach modulierten Lichtsignal werden nach optoelektrischer Wandlung Meßsignale für die Dehnungsänderung an den verschiedenen Meßstellen ermittelt. Dazu wird das elektrische Signal in mehreren Phasendemodulationseinheiten entsprechend der jeweiligen Modulationsfrequenzen gefiltert und dann hinsichtlich seiner Phasenänderung ausgewertet.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist anstelle eines gesonderten Phasenmodulators an dem gechirpten Bragg- Gitter selbst eine mechanisch verbundene Dehnungseinrichtung vorgesehen, die dann die zusätzliche Phasenmodulation er­ zeugt. Diese Dehnungseinrichtung kann als insbesondere piezo­ elektrisch betriebener Faserstrecker ausgebildet sein. Vor­ teilhaft läßt sich dieser Faserstrecker dann auch zusätzlich dazu einsetzen, die mittlere Bragg-Wellenlänge des gechirpten Bragg-Gitters auf die Bragg-Wellenlänge des ihm zugeordneten Sensorelements (= Faser-Bragg-Gitter) abzustimmen. Hierzu wird über den Faserstrecker eine entsprechende stationäre Dehnung oder Stauchung des gechirpten Bragg-Gitters eingestellt.

Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, in der das Interferometer zumindest teilweise faseroptisch oder integriert-optisch aufgebaut ist. Für den integriert-optischen Aufbau werden als Phasenmodulatoren statt der bei dem faseroptischen Aufbau verwendeten Faserstrecker elektrooptische Phasenmodulatoren verwendet. Ein gechirptes Bragg-Gitter ist sowohl faser­ optisch als auch integriert-optisch realisierbar.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung dient die von der optoelektronischen Auswerteeinheit erzeugte Meßgröße als Eingangsgröße einer Stabilisierungseinheit. Anhand dieser Eingangsgröße regelt die Stabilisierungseinheit die von der Lichtquelle emittierte Wellenlänge oder das von der Licht­ quelle emittierte Wellenlängenspektrum hochgenau nach. Damit erhält man eine wellenlängenstabile Lichtquelle.

Bevorzugt wird die Anordnung zur hochaufgelösten Detektion mindestens einer Dehnungsänderung in einer optischen Faser verwendet, wobei die Dehnungsänderung der optischen Faser und als Folge davon die Wellenlängenänderung im Lichtsignal durch unterschiedliche Meßgrößen hervorgerufen werden können. Eine Temperatur, eine Vibration, eine Beschleunigung, ein elektri­ sches oder ein magnetisches Feld sind mögliche Beispiele für eine solche Meßgröße.

Die Anordnung kann aber außerdem auch zur Wellenlängenstabi­ lisierung der Lichtquelle verwendet werden. Hierfür wird ebenfalls eine hochgenaue Bestimmung der Wellenlängenänderung benötigt.

Die Verwendung der Anordnung ist nicht auf die beiden vor­ stehend genannten Fälle beschränkt. Sie läßt sich vielmehr überall dort mit Vorteil einsetzen, wo eine hochgenaue Detek­ tion einer Wellenlängenänderung eines Lichtsignals benötigt wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeich­ nung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung mit optischer Bestimmung einer auf einer Dehnungsänderung beruhenden Wellenlängen­ änderung,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines zur Auswertung eingesetzten Interferometers,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines zur Auswer­ tung eingesetzten Interferometers,

Fig. 4 eine erste Anordnung mit optischer Bestimmung zweier Dehnungsänderungen,

Fig. 5 eine zweite Anordnung mit optischer Bestimmung zweier Dehnungsänderungen und

Fig. 6 eine Anordnung mit Wellenlängenstabilisierung der Lichtquelle.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Aufbau einer Anordnung mit optischer Be­ stimmung einer Wellenlängenänderung, die hier auf einer Dehnungsänderung beruht, dargestellt. Die gezeigte Anordnung umfaßt eine breitbandige Lichtquelle 10 und einen Faser­ koppler 2, der zum Einkoppeln eines von der breitbandigen Lichtquelle 10 emittierten Lichtsignals in eine optische Faser 3 mit einem Faser-Bragg-Gitter 4 und zum Auskoppeln des an dem Faser-Bragg-Gitter 4 reflektierten Lichtssignals dient. Das reflektierte Lichtssignal wird als eintretendes Lichtsignal LE in eine optoelektronische Auswerteeinheit 40 eingespeist. Diese umfaßt ein faseroptisches Interferometer 30 in Ausgestaltung eines Michelson-Interferometers. Das Interferometer 30 beinhaltet einen Koppler 33, einen ersten Interferometerarm 31, in dem ein gechirptes Bragg-Gitter 6 angeordnet ist, einen zweiten am Ende verspiegelten Inter­ ferometerarm 32 und ein Modulatorpaar 34 mit jeweils einem Phasenmodulator 341 und 342 in einem der beiden Interfero­ meterarme 31 bzw. 32. An das Interferometer 30 schließt sich eine optoelektrische Wandlereinheit 20 an, die ein aus dem dem Interferometer austretendes Lichtsignal LA in ein elek­ trisches Signal S umwandelt. Eine Phasendemodulationseinheit 345 erzeugt aus diesem elektrischen Signal S ein Meßsignal M für die Dehnungsänderung am Ort des Faser-Bragg-Gitters 4. Die Anregung einer Phasenmodulation durch die Phasenmodulatoren 341 und 342 und ein Synchronisationstakt für die Pha­ sendemodulationseinheit 345 wird durch einen Modulations­ generator 340 erzeugt.

Die breitbandige Lichtquelle 10, die vorzugsweise eine Super­ lumineszenzdiode ist und im dargestellten Beispiel einen Emissionsbereich von 820 bis 855 nm aufweist, gibt ihr Licht in eine Monomode-Lichtleitfaser ab. Dieses Licht wird über den Faserkoppler 2 in die optische Faser 3 eingekoppelt, die als eigentliche Meßstelle über einen dehnungssensitiven Teil­ abschnitt von wenigen Millimetern Länge verfügt. Das optische Faser-Bragg-Gitter 4 stellt diesen dehnungssensitiven Teil­ abschnitt dar. Das Faser-Bragg-Gitter 4 wird zweckmäßig mit konventioneller Spleißtechnik in die optische Faser 3 ein­ gefügt. Reflexe an dem der Lichtquelle 10 abgewandten Ende der optischen Faser 3 werden entweder durch Schrägbruch oder durch eine unter einem Winkel von 8' polierte Endfläche mini­ miert. Das Faser-Bragg-Gitter 4 hat eine charakteristische Bragg-Wellenlänge λ4, die innerhalb der Bandbreite der Licht­ quelle 10 liegt, beispielsweise 835 nm. Das von dem Faser- Bragg-Gitter 4 reflektierte Lichtsignal wird durch den Faser­ koppler 2 wieder aus der Faser 3 ausgekoppelt und gelangt als eintretendes Lichtsignal LE in das Interferometer 30. Das eintretende Lichtsignal LE wird von dem Koppler 33 in ein erstes und zweites Teillichtsignal LT1 und LT2 zerlegt, die dann jeweils in einen der beiden Interferometerarme 31 und 32 eingekoppelt werden. Durch die verspiegelte Endfläche am Ende des zweiten Interferometerarms 32 wird das zweite Teillicht­ signal LT2 unabhängig von der Wellenlänge immer am gleichen Ort reflektiert. Das im ersten Interferometerarm 31 angeord­ nete, gechirpte Bragg-Gitter 6 bewirkt dagegen, daß sich der effektive Reflexionsort des ersten Teillichtsignals LT1 in Abhängigkeit von der eingestrahlten Wellenlänge ändert.

In Fig. 2 ist dieser Sachverhalt vereinfacht anhand von zwei unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ < λ₂ dargestellt. Durch den unterschiedlichen Reflexionsort verändert sich die Armlängendifferenz der beiden Interferometerarme 31 und 32, und es kommt zu einer wellenlängenabhängigen Phasendifferenz zwischen den reflektierten Anteilen der beiden Teillicht­ signale LT1 und LT2.

Eine durch eine Dehnungsänderung induzierte Veränderung δλ4 der Bragg-Wellenlänge λ4 führt zu einer Phasenverschiebung Δϕ von:

Hierbei ist s die Armlängendifferenz der beiden Interfero­ meterarme 31 und 32, wobei die Armlängen durch die Lage des effektiven Reflexionspunkts des gechirpten Bragg-Gitters 6 im ersten Interferometerarm 31 und die des verspiegelten Endes im zweiten Interferometerarm 32 gegeben ist. n ist hier der effektive Brechungsindex einer innerhalb des Interferometers 30 verwendeten Lichtleitfaser. Der erste Term in der Klammer von Gleichung (1) beschreibt die Änderung der Phase bei einer konstanten Armlängendifferenz s. Der zweite Term beschreibt dagegen die Änderung der Phase bei sich in Abhängigkeit der Bragg-Wellenlänge λ4 ändernder Armlängendifferenz ds. Vorlie­ gend wird somit gerade die durch den zweiten Term beschrie­ bene Wirkungsweise ausgenutzt. Die maximale Armlängendiffe­ renz s ist durch die zur Interferenz notwendige Kohärenz des als Sensorelement benutzten Faser-Bragg-Gitters 4 begrenzt und sollte nicht größer sein als eine Kohärenzlänge L_K, da sonst der Kontrast des Interferenzsignals stark abnimmt. Die Kohärenzlänge L_K ist durch:

gegeben. Für eine typische, spektrale Halbwertsbreite des als Sensorelements benutzten Faser-Bragg-Gitters 4 von Δλ4 = 100 µm und eine Bragg-Wellenlänge λ4 von 835 nm ergibt sich eine Kohärenzlänge von L_K = 7 mm. Wird die Armlängen­ differenz s gleich der Kohärenzlänge L_K gesetzt, so ergibt sich s/λ4 = 8383. Ein typischer Wert für ein gechirptes Bragg-Gitter 4 ist dagegen ds/dλ4 = 1.10⁷, so daß sich bei gegebener Bragg-Wellenlänge λ4 mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung eine etwa tausendfach größere Phasenverschiebung erreichen läßt als mit einer aus dem Stand der Technik be­ kannten Anordnung, die nur die konstante Armlängendifferenz auswertet.

Um eine hohe intensitätsunabhängige Auflösung der optischen Phase bis in den µrad-Bereich zu erreichen, wird eine sinus­ förmige Modulation an die Phasenmodulatoren 341 und 342, gesteuert durch den Modulationsgenerator 340, angelegt. Die dabei verwendete Modulationsfrequenz liegt bei einer zu messenden Dehnungsänderung mit einer Frequenz von bis zu 3 kHz bei typischerweise 40 kHz.

Vorzugsweise wird in einem faseroptischen Aufbau als Phasen­ modulator 341 oder 342 ein piezoelektrischer Faserstrecker benutzt. Vorteilhaft, aber nicht notwendig, ist es hierbei, je einen Faserstrecker in beide Interferometerarme 31 und 32 einzufügen und diese Faserstrecker im Gegentakt zu betreiben.

Das modulierte, austretende Lichtsignal LA wird in der opto­ elektrischen Wandlereinheit 20 in das elektrische Signal S umgewandelt. Zur weiteren Auswertung wird dann ein an sich aus dem Stand der Technik bekanntes Demodulationsverfahren zum Nachweis einer dehnungsinduzierten Wellenlängenänderung in einer optischen Faser verwendet. Der Phasendemodulations­ einheit 345 wird durch den Modulationsgenerator 340 die Modulationsfrequenz als Referenz zugeführt. Mit dieser Phasendemodulationseinheit 345 sind typischerweise Phasen­ verschiebungen von Δϕ = 50 µrad/Hz^1/2 meßbar, so daß sich nach Gleichung (1) mit einem effektiven Brechungsindex von 1,46 und den Beispielparametern unter Vernachlässigung der kon­ stanten Armlängendifferenz (beide Interferometerarme 31 und 32 sollten etwa die gleiche Länge haben) eine minimal meßbare Dehnungsamplitude im Bereich von wenigen pε/Hz^1/2 ergibt.

Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen Aufbau mit einem gechirpten Bragg-Gitter 6 in nur einem der beiden Interfero­ meterarme 31 und 32 kann auch innerhalb des zweiten Inter­ ferometerarms 32 ein weiteres, gechirptes Bragg-Gitter 7 an­ geordnet sein. Zusammen bilden die beiden gechirpten Bragg- Gitter 6 und 7 dann ein Gitterpaar 36. Dieses Ausführungs­ beispiel des Interferometers 30 ist in Fig. 3 dargestellt.

Bei zueinander gleichläufig gechirpten Bragg-Gittern 6 und 7, d. h. daß sich der effektive Reflexionsort bei einer Wellen­ längenänderung bei beiden gechirpten Bragg-Gittern 6 und 7 in die gleiche Richtung verschiebt, ermöglicht eine in beiden gechirpten Bragg-Gittern 6 und 7 unterschiedlich stark aus­ gebildete Verschiebung des effektiven Reflexionsorts eine feinere Abstimmung der Änderung der Armlängendifferenz. Bei zueinander gegenläufig gechirpten Bragg-Gittern 6 und 7, d. h. daß sich der effektive Reflexionsort bei einer Wellenlängen­ änderung jeweils in entgegengesetzte Richtungen verschiebt, läßt sich dagegen eine entsprechend größere Änderung der Armlängendifferenz und damit eine kleinere, minimal meßbare Wellenlängenänderung erreichen. Der letztgenannte Fall ist in Fig. 3 gezeigt.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist für die Erfassung von Dehnungsänderungen an zwei unterschiedlichen Stellen der optischen Faser 3 bestimmt. Die in Fig. 4 gezeigte Erfassung von nur von zwei Dehnungsänderungen stellt jedoch keine Beschränkung der Allgemeingültigkeit dar. Ohne weiteres läßt auch eine nach demselben Prinzip aufgebaute Anordnung zur Erfassung von mehr als zwei lokalen Dehnungsänderungen an­ gegeben. Als Sensorelemente werden mehrere, im vorliegenden Fall zwei Faser-Bragg-Gitter, die mit 4 und 5 bezeichnet sind, mit jeweils unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen λ4 und λ5 benutzt. Zum Beispiel unterscheiden sich die benachbarten Faser-Bragg-Gitter 4 und 5 um jeweils 6 nm in ihren Bragg- Wellenlängen λ4 und λ5.

Entsprechend den vorstehenden Ausführungen gelangt das von den Faser-Bragg-Gittern 4 und 5 reflektierte Lichtsignal nach Aufteilung in die beiden Teillichtsignale LT1 und LT2 in die beiden Interferometerarme 31 und 32. In der gezeigten Anord­ nung sind beispielhaft zwei Gitterpaare 36 und 37 mit ge­ chirpten Bragg-Gittern 6 und 7 bzw. 8 und 9 so in die beiden Interferometerarme 31 und 32 eingefügt, daß sich die zu einem Gitterpaar 36 oder 37 gehörigen, gechirpten Bragg-Gitter 6 und 7 bzw. 8 und 9 in unterschiedlichen Interferometerarmen 31 und 32, jedoch jeweils im selben optischen Abstand vom Koppler 33 befinden.

Mittlere Bragg-Wellenlängen λ6 und λ7 der zu dem einen Git­ terpaar 36 gehörigen, gechirpten Bragg-Gitter 6 bzw. 7 ent­ sprechen sowohl einander als auch der Bragg-Wellenlänge λ4 des einen Faser-Bragg-Gitters 4. Analog entsprechen mittlere Bragg-Wellenlängen λ8 und λ9 der zu dem anderen Gitterpaar 37 gehörigen, gechirpten Bragg-Gitter 8 bzw. 9 sowohl einander als auch der Bragg-Wellenlänge λ5 des anderen Faser-Bragg- Gitters 5. Die mittleren Bragg-Wellenlängen λ6 und λ7 einer­ seits und λ8 und λ9 andererseits sind damit verschieden von­ einander. Auch die gesamten Wellenlängenbereiche, in denen die gechirpten Bragg-Gitter 6 und 7 des einen Gitterpaars 36 einerseits und die gechirpten Bragg-Gitter 8 und 9 des ande­ ren Gitterpaars 37 andererseits reflektieren, überschneiden sich vorteilhafterweise nicht.

In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 sind ein erstes Modu­ latorpaar 34 mit Phasenmodulatoren 341 und 342 in jeweils einem der beiden Interferometerarme 31 bzw. 32 sowie ein zweites Modulatorpaar 35 mit Phasenmodulatoren 351 und 352 ebenfalls in jeweils einem der beiden Interferometerarme 31 bzw. 32 vorgesehen. In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können jedoch anstelle der Modulatorpaare 34 und 35 auch nur Phasenmodulatoren 341 und 351 in einem Interferometerarm 31 vorgesehen sein. Zwei Modulationsgenera­ toren 340 und 350 steuern die Modulatorpaare 34 und 35 mit jeweils unterschiedlicher Modulationsfrequenz, z. B. 100 kHz bzw. 113 kHz, an. Die Gitterpaare 36 und 37 erzeugen entspre­ chend der Änderung der Bragg-Wellenlänge λ4 und λ5 der je­ weils zugeordneten Faser-Bragg-Gitter 4 bzw. 5 wellenlängen­ abhängige Phasenverschiebungen zwischen den reflektierten Anteilen der beiden Teillichtsignale LT1 und LT2. Das phasen­ modulierte, austretende Lichtsignal LA wird wiederum von der optoelektrischen Wandlereinheit 20 in das elektrische Signal S überführt. Aufgrund der unterschiedlichen Modulationsfre­ quenzen der beiden Modulatorpaare 34 und 35 kann mit Hilfe zweier Phasendemodulationseinheiten 345 und 355 ein erstes Meßsignal M1 für die Dehnungsänderung des einen Faser-Bragg- Gitters 4 und ein zweites Meßsignal M2 für die Dehnungs­ änderung des anderen Faser-Bragg-Gitters 5 ermittelt werden.

In einem weiteren in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dehnen oder stauchen nicht explizit dargestellte Faser­ strecker die Lichtleitfaser in den beiden Interferometerarmen 31 und 32 jeweils unmittelbar an wenigstens einem der zu einem Gitterpaar 24 oder 25 gehörigen, gechirpten Gitter 6 oder 7 bzw. 8 oder 9 selbst. Damit resultieren modulierbare Gitterpaare 24 und 25, die direkt von den Modulationsgenera­ toren 340 bzw. 350 mit jeweils unterschiedlicher Modulations­ frequenz moduliert werden können. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine zusätzliche Phasenmodulation nur für den spektralen Anteil der beiden Teillichtsignale LT1 und LT2 erzeugt wird, der auch am jeweiligen Gitterpaar 24 oder 25 reflektiert wird. Gegenüber der Modulation der optischen Weglänge in den Interferometerarmen 31 und 32, wie sie in den Beispielen der Fig. 1 bis 4 jeweils vorgesehen ist, tritt hier wieder der größere Effekt der Modulation der Entfernung des Reflexionspunktes vom Koppler 33 ein.

Außerdem können die mittleren Bragg-Wellenlängen λ6, λ7, λ8 oder λ9 der gechirpten Bragg-Gitter 6, 7, 8 bzw. 9 über eine durch den Faserstrecker einstellbare, stationäre Dehnung oder Stauchung des jeweiligen gechirpten Bragg-Gitters 6, 7, 8 bzw. 9 exakt auf die aktuelle Bragg-Wellenlänge λ4 oder λ5 des jeweils zugehörigen Faser-Bragg-Gitters 4 bzw. 5 ab­ gestimmt werden. Die aktuelle Bragg-Wellenlänge λ4 oder λ5 des Faser-Bragg-Gitters 4 bzw. 5 kann nämlich aufgrund von Umgebungseinflüssen, z. B. um 0,7 nm pro 1/1000 relative Dehnung oder um 0,6 nm/100 K, variieren. Diese Variationen können somit durch die auch während des Meßbetriebs gegebene Möglichkeit zur Abstimmung der mittleren Bragg-Wellenlängen λ6, λ7, λ8 oder λ9 der gechirpten Bragg-Gitter 6, 7, 8 bzw. 9 ausgeglichen werden.

Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 5, bei denen die hochgenaue Detektion der Wellenlängenände­ rung in der optoelektronischen Auswerteeinheit 40 stets einem sensorischen Zweck, d. h. der Erfassung einer Meßgröße, dient, ist die Bestimmung des in Fig. 6 dargestellten Ausführungs­ beispiels eine Wellenlängenstabilisierung der Lichtquelle 10. Auch hierbei wird eine hochgenaue Bestimmung einer Wellen­ längenänderung benötigt. In diesem Zusammenhang ist speziell die Änderung der von der Lichtquelle 10 emittierten Wellen­ länge von Interesse. Ihre Ermittlung erfolgt wieder über die optoelektronische Auswerteeinheit 40, deren spezielle Aus­ gestaltungen und Wirkungsweise vorstehend ausführlich er­ läutert wurden. Das resultierende Meßsignal M wird einer Stabilisierungseinheit 50 zugeführt, die damit die von der Lichtquelle 10 emittierte Wellenlänge nachregelt, so daß sich ein sehr stabiles Emissionsspektrum ergibt.

Bei den beiden in Fig. 6 nur ansatzweise dargestellten, vom Faserkoppler 2 ausgehenden Zweigen handelt es sich beispiels­ weise um einen Meßzweig und um einen weiteren Auswertezweig.

Die Lichtquelle 10 ist in dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ein Laser, der im allgemeinen ein sehr große Kohärenzlänge aufweist. Aufgrund des in dem Interferometer 30 verwendeten, gechirpten Bragg-Gitters 6 ist eine wesentlich kleinere Armlängendifferenz notwendig, als bei einem Interferometer mit konstanten Armlängen und vergleichbarer Auflösung. Dadurch ergibt sich aber eine niedrigere Empfindlichkeit gegenüber Störungen durch Umwelteinflüsse akustischer, thermischer oder sonstiger Art.

Claims (14)

1. Optische Anordnung, umfassend mindestens:

• a) eine Lichtquelle (10),
• b) eine optoelektronische Auswerteeinheit (40) zur Bestim­ mung einer Wellenlängenänderung eines in die optoelektro­ nische Auswerteeinheit (40) eintretenden Lichtsignals (LE), wobei
  • 1. die optoelektronische Auswerteeinheit (40) ein Interfero­ meter (30) mit zwei Interferometerarmen (31, 32) beinhal­ tet, und
  • 2. in mindestens einem der beiden Interferometerarme (31) mindestens ein Element mit wellenlängenabhängigem Re­ flexionsort angeordnet ist, und
• c) eine zwischen der Lichtquelle (10) und der optoelektri­ schen Auswerteeinheit (40) angeordnete, optische Weg­ strecke, die eine optische Faser (3) mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter (4, 5) mit gegebener Bragg-Wellenlänge (λ4, λ5) beinhaltet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Element mit wellenlängenabhängi­ gem Reflexionsort als gechirptes Bragg-Gitter (6, 7, 8, 9) aus­ gebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in beiden Interferometerarmen (31, 32) jeweils mindestens ein gechirptes Bragg-Gitter (6, 7, 8, 9) angeordnet ist, wobei jedes gechirpte Bragg-Gitter (6, 8) einem gechirpten Bragg-Gitter (7, 9) im jeweils anderen Interferometerarm (32) zugeordnet ist und mit diesem ein Gitterpaar (36, 37) bildet.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einander zugeordneten, gechirpten Bragg-Gitter (6, 7, 8, 9) eines Gitterpaars (36, 37) relativ zueinander gleichläufig oder gegenläufig gechirpt sind.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Faser-Bragg-Gitter (4, 5) mit jeweils voneinander verschiede­ ner Bragg-Wellenlänge (λ4, λ5) an jeweils voneinander ver­ schiedenen Orten in einer optischen Faser (3), die Teil einer optischen Wegstrecke zwischen der Lichtquelle (10) und der optoelektronischen Auswerteeinheit (40) ist, vorgesehen sind, und jedem Faser-Bragg-Gitter (4, 5) ein gechirptes Bragg- Gitter (6, 8) in einem der beiden Interferometerarme (31) oder ein Gitterpaar (36, 37) mit jeweils einem gechirpten Bragg- Gitter (6, 7, 8, 9) in beiden Interferometerarmen (31, 32) zu­ geordnet ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der beiden Interferometerarme (31, 32) wenigstens ein Phasenmodulator (341, 342, 352, 352) zugeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem der beiden Interferometerarme (31, 32) wenigstens eines der gechirpten Bragg-Gitter (6, 7, 8, 9) mit einer Dehnungsein­ richtung, insbesondere mit einem Faserstrecker, mechanisch verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Faserstrecker als Phasenmodulator (341, 342, 352, 352) ausgebildet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das gechirpte Bragg-Gitter (6, 7, 8, 9) über eine durch den Faserstrecker bewirkte, statio­ näre Dehnung oder Stauchung in seiner mittleren Bragg-Wellen­ länge (λ6, λ7, λ8, λ9) auf eine vorgegebene Wellenlänge ein­ stellbar ist.

10. Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das gechirpte Bragg- Gitter (6, 7, 8, 9) über den Faserstrecker in seiner mittleren Bragg-Wellenlänge (λ6, λ7, λ8, λ9) auf die Bragg-Wellenlänge (λ4, λ5) des ihm zugeordneten Faser-Bragg-Gitters (4, 5) ein­ stellbar ist.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer (30) zumindest teilweise faseroptisch oder integriert-optisch ausgebildet ist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die opto­ elektronische Auswerteeinheit (40) über eine Stabilisierungs­ einheit (50) mit der Lichtquelle (10) verbunden ist.

13. Verwendung der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung einer Wellenlängenänderung, die in dem mindestens einen Faser-Bragg-Gitter (4, 5) durch eine Temperatur, eine Vibration, eine Beschleunigung, ein elek­ trisches oder ein magnetisches Feld hervorgerufen wird.

14. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 12 zur Wellen­ längenstabilisierung der Lichtquelle (10).