DE3920156C2 - Optische Anordnung zur Temperaturmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zur Temperaturmessung.

Die Messung einer physikalischen Meßgröße, wie beispiels­ weise der Temperatur, mit einer optischen Anordnung hat eine Reihe von Vorteilen, die im wesentlichen darin lie­ gen, daß ein optischer Meßwertaufnehmer von einer ihm zugeordneten elektrischen Steuer- und Auswerteeinheit galvanisch getrennt ist und daß sowohl der Meßwertauf­ nehmer selbst als auch die optische Übertragungsstrecke zur Steuer- und Auswerteeinheit unempfindlich gegen elek­ tromagnetische Störfelder sind.

Optische Anordnungen zur Messung einer Temperatur sind beispielsweise aus US 4 437 761 bekannt. In dieser Anord­ nung wird die temperaturabhängige Änderung des Brechungs­ index der Grenzfläche zweier Dielektrika ausgenutzt. Diese Grenzfläche ist beispielsweise zwischen einem herkömmli­ chen Lichtwellenleiter und einem weiteren dielektrischen Material ausgebildet, welches einen temperaturabhängigen Brechungsindex aufweist. Abhängig von einer Temperatur verändert sich nun der Anteil des an dieser Grenzfläche reflektierten Lichts. Die Dämpfung eines an dieser Grenz­ fläche reflektierten Lichtsignals wird als Maß für die Temperatur an dieser Grenzfläche herangezogen. Aus einer Differenz von Ausgangsintensität zu reflektierte Intensi­ tät eines zur Messung verwendeten Lichtsignals wird die Dämpfung bestimmt. Da die Dämpfung aber als absoluter Wert bestimmt wird, verfälschen Schwankungen in der Ausgangs­ intensität, bzw. umgebungsabhängige Übertragungsverluste der optischen Signalleitung das Meßergebnis.

Weitere optische Anordnungen zur Messung einer Temperatur sind beispielsweise aus "Laser- und Optoelektronik, Nr. 3, 1983, Seiten 226 bis 232" bzw. aus GB 2 130 719 A bekannt. Dort ist beispielsweise ein optischer Temperatursensor offenbart, bei dem als Meßwertaufnehmer das verspiegelte Ende eines Multimodelichtleiters mit seinem Kern in eine Flüssigkeit eingebettet ist, deren Brechzahl von der Tem­ peratur abhängig ist. Je nach Brechzahl der Flüssigkeit tritt nun ein Teil des in den Meßwertaufnehmer eingekop­ pelten Lichtes in die Flüssigkeit aus und gelangt nicht mehr zu einem am anderen Ende der Faser angeordneten Lichtempfänger zurück. Die am Lichtempfänger gemessene Lichtintensität ist somit abhängig von der Temperatur in der Umgebung des Meßwertaufnehmers und kann zur Messung dieser Temperatur verwendet werden. Dazu wird in der An­ ordnung ein Quotient aus am Lichtempfänger gemessener Lichtintensität und einer von einem Referenzdetektor ge­ messenen Ausgangsintensität gebildet. Die Verwendung eines Quotienten zur Bildung eines Meßsignals bietet den Vor­ teil, daß Schwankungen in der Intensität der verwendeten Lichtquelle kompensiert werden können.

Sämtlichen vorbeschriebenen Anordnungen haftet aber der Nachteil an, daß der temperaturabhängigen Veränderung der Intensität des Meßsignals zusätzlich umgebungsabhängige Übertragungsverluste der optischen Signalleitung aufge­ prägt sind, die durch Referenzmessungen nicht kompensiert werden können. Diese Übertragungsverluste können beispiels­ weise bei Lichtwellenleitern durch altersbedingtem Ver­ schleiß, Biegung sowie andere Umgebungsparameter, wie z. B. Druck oder Temperatur, hervorgerufen werden.

Eine weitere optische Anordnung zur Temperaturmessung ist aus US 4 339 951 bekannt. In der beschriebenen Vorrichtung ändern Polymerfilme ihre Farbe, wenn sie über eine mate­ rialspezifische Übergangstemperatur hinaus erhitzt werden. Der Farbwechsel wird bei einer zweiten Temperatur, die in der Regel kleiner als die Übergangstemperatur ist, wieder rückgängig gemacht. Mit der beschriebenen Anordnung läßt sich das Einhalten eines vorgegebenen Temperaturbereichs überwachen. Das absolute Messen einer Temperatur ist damit nicht möglich.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine opti­ sche Anordnung zur Temperaturmessung anzugeben, bei der die Messung einer Temperatur weitgehend unabhängig von Übertragungsverlusten in der optischen Übertragungsstrecke durchgeführt werden kann.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Hauptanspruches. Das von einem optisch bi­ stabilen Element transmittierte Licht hängt nichtlinear von der eingekoppelten Lichtintensität ab. Dabei zeigen optisch bistabile Elemente hinsichtlich ihrer Transmissi­ vität ein ausgeprägtes Schwellenverhalten. Solange die eingekoppelte Lichtintensität kleiner ist als ein vorbe­ stimmter Schwellwert, ist die Transmissivität gering und nur wenig Licht wird durchgelassen. Wird die Lichtinten­ sität über den Schwellwert erhöht, so nimmt die Trans­ missivität sprungartig einen anderen Wert an und die Lichtintensität am Ausgang des optisch bistabilen Ele­ mentes ändert sich sprungartig. Das optisch bistabile Element entspricht dabei im wesentlichen einem optischen Schwellenschalter. Dabei zeigen optisch bistabile Elemente in der Regel ein ausgeprägtes Hystereseverhalten (H.M.Cibbs, Optical Bistability: Controlling Light by Licht, Academic Press, 1985, Seiten 1 bis 4).

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß die relative Breite der Hystereseschleife eines optisch bistabilen Elementes ein von Streckenverlusten entlang des optischen Übertragungsweges praktisch unabhängiges Maß für die Temperatur darstellt.

Das optische bistabile Element kann somit in einer Meßanord­ nung, die über Einrichtungen zum Bestimmen dieser Breite ver­ fügt, als temperaturempfindliches Bauteil zur Messung einer Temperatur verwendet werden. Zur Messung dieser Halbwertsbreite wird jeweils die Lage der Schaltschwelle gemessen, die sich bei Durchlaufen des Schaltbereiches durch Erhöhung und Erniedrigung der in das optisch bistabile Element eingekoppelten Lichtinten­ sität ergibt.

Dabei sind insbesondere Anordnungen von Vorteil, bei denen der Lichtweg im optisch bistabilen Element durch eine geeignete Spiegelanordnung vergrößert wird.

Das Schwellenverhalten des optisch bistabilen Elementes kann dabei auf absorptiver oder dispersiver, optischer Bistabilität beruhen, wobei im letzteren Fall insbesondere Anordnungen von Vorteil sind, bei denen das optisch bistabile Material in einem Fabry-Perot-Resonator angeordnet ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 der absorbierte Anteil des in das optisch bistabile Element eingekoppelten Lichtes gegen die Temperatur des optisch bistabilen Elementes in einem Diagramm aufge­ tragen ist.

Fig. 2 und 3 zeigen die Intensität des von einem optisch bistabilen Elementes transmittierten Lichtes in Ab­ hängigkeit von der Umgebungstemperatur bei festgehal­ tener Intensität des in das optisch bistabile Element eingekoppelten Lichtes ebenfalls jeweils in einem Dia­ gramm und in

Fig. 4 ist die Kennlinie eines optisch bistabilen Elementes schematisch dargestellt. In

Fig. 5 ist eine Anordnung zur Temperaturmessung gemäß der Er­ findung schematisch veranschaulicht.

Gemäß Fig. 1 ist der absorbierte Anteil A des in ein optisch bistabiles Element eingekoppelten Lichtes unter Vernach­ lässigung der Reflexion als Funktion seiner Temperatur aufgetra­ gen und durch die mit dem Bezugszeichen a versehene durchge­ zogene Kurve dargestellt. Für den absorbierten Anteil A gilt dabei die Beziehung

A(T) = 1 - e⁻^{α (T)} d (1).

Mit einer von der Temperatur T abhängigen Absorptionskonstante α(T) und einem innerhalb des optisch bistabilen Elementes zurückgelegten Lichtweg d. Durch die vom optisch bistabilen Element absorbierte Lichtintensität wird die Temperatur T des bistabilen optischen Elementes gegenüber der Umgebungstemperatur um einen Betrag erhöht, der sich durch die Beziehung

T - T_o = cI_SA(T) (2)

ergibt und proportional zur absorbierten Lichtintensität I_SA(T) ist, wobei I_S die in das optisch bistabile Element einge­ koppelte Intensität ist und c ein Materialparameter ist, der die spezifische Wärme und die thermische Relaxationszeit des optisch bistabilen Elementes enthält. Durch Umstellen der Beziehung (2) erhält man eine weitere Beziehung für den ab­ sorbierten Anteil A

A(T) = (T - T_o)/cI_S (3)

in Form einer Geradengleichung, deren Steigung 1/cI_S mit zu­ nehmender Intensität I_S des eingekoppelten Lichtes abnimmt. Die Gleichungen (1) und (3) müssen gleichzeitig erfüllt sein, so daß sich der bei einer bestimmten Umgebungstemperatur T₀ und einer vorgegebenen Intensität I_S ergebende Zustand eines optisch bistabilen Elementes durch den Schnittpunkt der diesem Wertepaar zugeordneten Geraden mit der Kurve a er­ gibt. Im Diagramm sind mehrere Geraden b bis f gestrichelt eingetragen, wie sie für eine feste Umgebungstemperatur T₀ und unterschiedlichen eingekoppelten Intensitäten I_S er­ geben. Dabei ist die Intensität I_S des eingekoppelten Lichtes für die Gerade b am kleinsten und für die Gerade f am größten. Sowohl bei niedriger als auch bei hoher Inten­ sität ergibt sich dabei jeweils nur ein Schnittpunkt. Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß die Geraden c und e die Kurve a in einem Punkt schneiden und in einem Punkt be­ rühren. Die zu diesen beiden Geraden c und e jeweils ge­ hörenden Intensitäten I_{S ↑} bzw. I_{S ↓} geben den Hysteresebe­ reich des optisch bistabilen Elementes wieder. Für Inten­ sitäten, die zwischen diesen beiden Intensitäten liegen, ergeben sich entsprechend dem durch die Gerade d darge­ stellten Beispiel drei Schnittpunkte und somit drei Lösungen für A, wobei die mittlere Lösung instabil ist. Der bistabile Bereich liegt somit zwischen den Intensi­ täten I_{S ↑} und I_{S ↓}. Der Figur ist nun zu entnehmen, daß sowohl die Lage des bistabilen Bereiches, als auch die Breite des bistabilen Bereiches von der Umgebungstempera­ tur T₀ abhängen und somit zur Messung dieser Temperatur T₀ verwendet werden können. Die in der Figur anhand von ab­ sorptiver photo-thermischer optischer Bistabilität darge­ legten Überlegungen gelten in analoger Weise auch für ein optisches Element mit dispersiver photo-thermischer opti­ scher Bistabilität.

Die Temperaturabhängigkeit des Schaltzustandes eines optisch bistabilen Elementes ist anhand der in Fig. 2 für ein Cadmiumsulfid CdS-Einkristallplättchen, in das grünes Argon-Laserlicht eingekoppelt wird, veranschaulicht. Im Beispiel der Figur ist die Intensität des eingekoppelten Lichtes so gewählt, daß sich für eine Umgebungstemperatur T₀ = 295 K ein Zustand ergibt, der in Fig. 1 durch die Gerade b repräsentiert wird. Wird nun die Umgebungstempe­ ratur erhöht, so entspricht dies einer Parallel­ verschiebung der Geraden b in Fig. 1 nach rechts. Die Inten­ sität I_T des transmittierten Lichtes nimmt dabei zunächst stetig ab. Bei einer bestimmten Umgebungstemperatur nimmt die transmittierte Intensität I_T sprungartig ab. Diese Situation wird dann erreicht, wenn in Fig. 1 die Gerade b soweit nach rechts verschoben wird, bis eine Situation eintritt, bei der die parallelverschobene Gerade b die Kurve a im unteren Ast gerade noch berührt und nur noch im oberen Ast schneidet. Wird die Umgebungstemperatur weiter erhöht, so sinkt die trans­ mittierte Intensität I_T langsam ab. Wird nun ausgehend von dem erreichten Zustand die Umgebungstemperatur erniedrigt, so werden die stabilen Lösungen des optisch bistabilen Elementes zunächst durch den oberen Ast der Kurve a gemäß Fig. 1 repräsentiert. Wird die Umgebungstemperatur soweit erniedrigt, daß der obere Ast der Kurve a von der parallel verschobenen Geraden b nur noch berührt wird, so wechselt das optisch bistabile Element von einem Zustand mit hoher Absorption in einen Zustand mit niedriger Absorption. Dabei ergibt sich eine Hystereseschleife, deren Lage und Breite von der Intensität I_S des eingekoppelten Lichtes abhängen.

Im Beispiel der Fig. 3 wird das Cadmiumsulfid CdS-Einkristall­ plättchen mit einer Intensität I_S bestrahlt, die etwa das 0,7-fache der Intensität I_{S ↓} bei 295 K beträgt. Der Figur ist zu entnehmen, daß die Lage der Schaltpunkte zu höheren Tempe­ raturen hin verschoben ist und daß die Breite der Hysterese­ schleife deutlich geringer ist als im Beispiel der Fig. 2. Den Fig. 2 und 3 ist somit zu entnehmen, daß mit Hilfe eines optisch bistabilen Elementes ein Schwellenschalter realisiert werden kann, dessen Schaltschwelle gezielt durch die Inten­ sität I_S des eingekoppelten Lichtes beeinflußt werden kann.

Gemäß Fig. 4 ist die Intensität I_T des transmittierten Lichtes gegen die Intensität I_S des in das optisch bistabile Element eingekoppelten Lichtes aufgetragen. Der optisch bistabile Be­ reich zwischen den Schalt-Intensitäten I_{S ↑} und I_{S ↓} hängt aufgrund der gleichen Überlegungen sowohl hinsichtlich seiner Breite als auch hinsichtlich seiner Lage von der Umgebungs­ temperatur ab. Dabei ist die relative Breite

b = (I_{S ↓} - I_{S ↑})/I_{S ↓} (4)

nur noch von der Temperatur abhängig und geht von endlichen Werten mit zunehmendem T₀ gegen 0, da oberhalb einer gewissen Temperatur die optische Bistabilität verschwindet. Während bei einer Messung der Schaltschwelle als Maß für die Umgebungs­ temperatur gemäß Fig. 2 und 3 die absolute Kenntnis von I_S am optisch bistabilen Element nötig ist, läßt sich die Be­ ziehung (4) zur Temperaturmessung ohne Kenntnis des Absolut­ wertes von I_S ausnützen. Dazu ist es nur erforderlich, die Hystereseschleife durch Variation der eingekoppelten Intensität I_S zu durchfahren, I_{S ↓} und I_{S ↑} in willkürlichen Einheiten zu bestimmen, b gemäß Beziehung (4) zu berechnen und den berech­ neten Wert die entsprechende Temperatur zuordnen. Dadurch wird eine streckenneutrale Messung der Temperatur ermöglicht, da die relative Breite b unabhängig von Übertragungsverlusten in der optischen Übertragungsstrecke.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 enthält eine Anordnung zur Temperaturmessung eine Lichtquelle 4, die über einen Strahl­ teiler 25 optisch mit einem als Meßwertaufnehmer dienenden optisch bistabilen Element 2 gekoppelt ist. Als optische Übertragungsstrecke sind in einer bevorzugten Ausführungsform Lichtwellenleiter 26, insbesondere Glasfasern, vorgesehen. Anstelle eines Strahlteilers 25 kann dann ein sogenannter y-Koppler verwendet werden. Der Strahlteiler 25 ist außerdem optisch mit einem Lichtempfänger 6 gekoppelt, der das vom optisch bistabilen Element 2 reflektierte Licht empfängt.

Dem optisch bistabilen Element 2 ist in der bevorzugten Aus­ führungsform gemäß der Figur ein Spiegel 21 zugeordnet, der das in das optisch bistabile Element 2 eingekoppelte Licht zurück­ wirft. Eingang und Ausgang des bistabilen Elementes 2 fallen in dieser Anordnung zusammen, so daß für die Übertragungs­ strecke nur ein Lichtwellenleiter 26 verwendet werden muß. Außerdem hat die reflexive Anordnung gemäß der Figur den Vor­ teil, daß der Lichtweg innerhalb des Elementes 2 verdoppelt wird. Zum Durchfahren der Hystereseschleife ist eine Licht­ quelle 4 mit steuerbarer Intensität vorgesehen. Der Licht­ empfänger 6 ist mit einer Auswerte- und Steuereinheit 10 verbunden, die mit Hilfe nachgeschalteter Komparatoren die Schaltzustände und die Schaltintensitäten I_{S ↓} und I_{S ↑}des optisch bistabilen Elementes erfaßt und die Lichtquelle 4 steuert. In der Auswerteeinrichtung 10 wird die relative Breite b der Hystereschleife errechnet und daraus die Temperatur ermittelt.

Eine miniaturisierte reflexive Meßanordnung läßt sich in vor­ teilhafter Weise dadurch realisieren, daß das optisch bistabile Element 2 direkt als dünne Schicht auf die Stirnfläche einer Glasfaser aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt oder aufge­ dampft ist. Die Rückseite dieser dünnen Schicht ist dann mit einem metallischen oder dielektrischen Spiegel versehen, der vorzugsweise ebenfalls aufgedampft ist.

Als optisch bistabile Elemente 2 sind beispielsweise Cadmium­ sulfid CdS-Einkristalle für Umgebungstemperatur im Bereich zwi­ schen 290 K und 320 K geeignet. Für Temperaturen kleiner als 250 K sind insbesondere Cadmiumsulfid-Aufdampfschichten ge­ eignet. In beiden Fällen ist als Lichtquelle ein Argonlaser vorgesehen, der die grüne Ar⁺-Linie bei 0,514 µm emittiert. Als optisch bistabiles Element für die blaue Argon Ar⁺-Laser­ linie ist Zinkselenid ZnSe geeignet. Galliumarsenid GaAs und verwandte Strukturen, beispielsweise GaAlAs-Supergitter, sind als optisch bistabile Elemente insbesondere in Verbindung mit Laserdioden für den Wellenlängenbereich um 0,8 µm geeignet. Optisch bistabile Elemente auf Indiumphosphid InP-Basis bieten sich dabei für den Infrarotbereich zwischen 1,3 µm und 1,6 µm an.

Anstelle eines absorptiven optisch bistabilen Elementes kann auch ein dispersives optisch bistabiles Element realisiert wer­ den, wenn der Halbleiter mit optisch bistabiler Eigenschaft in einem geeigneten Fabry-Perot-Resonator gebracht wird, in dem beispielsweise auf die Halbleiterprobe einander gegenüberlie­ gende dielektrische Spiegel aufgedampft werden. Eine Fabry- Perot-Resonator-Anordnung ist sowohl für eine reflexive als auch eine transmissive Meßanordnung geeignet und hat den Vor­ teil, daß der für die Transmissivität oder Reflektivität des optisch bistabilen Elementes wirksame und innerhalb dieses Elementes zurückgelegte Lichtweg ein Vielfaches der linearen Abmessungen dieses Elementes beträgt. Eine Fabry-Perot-Anord­ nung ist somit insbesondere für dünne Aufdampfschichten geeignet.

Claims (9)

1. Optische Anordnung zur Temperaturmessung mit

• a) einem optisch bistabilen Element (2), bei dem die Intensität des durch das optisch bistabile Element (2) transmittierten Lichtanteils von in das optisch bi­ stabile Element (2) eingekoppeltem Licht in Abhängig­ keit von der Intensität des eingekoppelten Lichts zwischen zwei Schaltintensitäten (I_{S ↑}, I_{S ↓} des ein­ gekoppelten Lichts eine Hysterese aufweist,
• b) einer steuerbaren Lichtquelle (4) zum Einkoppeln von Licht in das optisch bistabile Element (2), wobei das Licht das Element (2) wenigstens einmal durchquert,
• c) einem Lichtempfänger (6) zum Empfangen des vom optisch bistabilen Element (2) transmittierten Lichtanteils sowie
• d) einer Steuer- und Auswerteeinheit (10), die die beiden Schaltintensitäten (I_{S ↑}, I_{S ↓}) des optisch bistabilen Elements (2) durch Steuern der Intensität der Licht­ quelle (4) ermittelt und aus diesen beiden Schalt­ intensitäten (I_{S ↑}, I_{S ↓}) die Hysteresebreite (b) des optisch bistabilen Elementes (2) als Maß für die zu messende Temperatur berechnet.

2. Optische Anordnung zur Temperaturmessung nach Anspruch 1, bei der dem optisch bistabilen Element (2) eine Spie­ gelanordnung (21) zum Verlängern des Lichtwegs innerhalb des Elementes (2) zugeordnet ist.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das optisch bistabile Element (2) eine absorptive optische Bistabilität aufweist.

4. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das optisch bistabile Element (2) eine dispersive optische Bistabilität aufweist.

5. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das optisch bistabile Element (2) ein Cadmium­ sulfid (CdS)-Einkristall ist.

6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das optisch bistabile Element (2) eine Cadmium­ sulfid (CdS)-Aufdampfschicht ist.

7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das optisch bistabile Element (2) ein Element auf der Basis von Zink-Selenid (ZnSe) ist.

8. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das optisch bistabile Element (2) ein Element auf der Basis von Gallium-Arsenid (GaAs) ist.

9. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das optisches bistabile Element (2) ein Element auf der Basis von Indium-Phosphid (InP) ist.