DE4034237A1 - Verfahren und anordnung zur messung von temperaturaenderungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Temperaturänderungen unter Verwendung von Laserstrahlung, wobei der Laser im Einfrequenzbetrieb arbeitet, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Präzise Messungen der Temperatur bzw. deren Änderungen sind in vielen Bereichen der Technik notwendig. Insbesondere im Bereich der Verfahrenstechnik und der Produktion ist zur genauen Kontrolle der Prozesse und zur anschließenden Qualitätsbestimmung die während dieses Prozesses durchlaufene Temperaturkennlinie von entscheidendem Interesse.

Bekannte Verfahren und Anordnungen zur Messung der Temperatur beruhen meist auf materialspezifischen Änderungen elektrischer Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität und dgl. der verwendeten Bauteile. Die Genauigkeit solcher Temperatursensoren ist aufgrund des geringen Signal-Rausch-Abstandes bei der Messung von Widerständen oder Kapazitäten in diesem Genauigkeitsbereich sowie der Nichtlinearität aufgrund herstellungsbedingter Verunreinigungen beschränkt. Es können im allgemeinen nur einige mK in einem dynamischen Bereich von etwa 200 K aufgelöst werden, wobei berührungsfreie Verfahren, wie z. B. Wärmebildkameras, bei weitem nicht diese Auflösungen erreichen.

Laserstrahlung entsteht in einem von außen optisch oder elektrisch angeregten Medium, das sich in einem optischen Resonator befindet. Die Anregung muß dabei so stark sein, daß das Medium die durchlaufende Strahlung verstärkt und damit die Verluste aufgrund von Absorption und Abstrahlung kompensiert. Es bilden sich dann stehende Wellen aus, wobei die den Resonator verlassende Nutzstrahlung sich gegenüber den herkömmlichen Strahlungsquellen durch ihre hohe spektrale Dichte, ihre Kohärenz, ihre Polarisation sowie die nahezu ideale sphärische Wellenfront auszeichnet.

Mit der Entwicklung von Hochleistungs-Laserdioden ist es neuerdings möglich, Festkörperlaser, etwa den Nd:YAG-Laser hocheffizient optisch anzuregen. Die optische Konversions-Effizienz der Laserdioden in Festkörper-Laserstrahlung kann hierbei sogar weit über 50% liegen, wobei Laserdioden selbst mit Wirkungsgraden von etwa 30 bis 40% arbeiten. Ein derartiger Laser kann daher äußerst kompakt bei geringem Strombedarf, d. h. auch mit Batteriebetrieb arbeiten, wobei die Lebensdauer einer Laserdiode heutzutage mehr als 10⁴ h beträgt, wodurch eine Wartung des gesamten Lasers nicht mehr nötig ist.

Die Pumpstrahlung kann insbesondere mit hoher Effizienz über eine Glasfaser an den eigentlichen Laserkopf herangeführt werden, so daß dieser bequem dort hingebracht werden kann, wo die hohe Qualität der Festkörper-Laserstrahlung gebraucht wird, d. h. an den Applikationsort. Die Laser-Pumpdiode befindet sich dann z. B. im Niederspannungsnetzteil des Gerätes; bei relativ niederen Pumplaserleistungen ist ein Einfrequenzbetrieb bei geeigneter Laserkopfkonfiguration ohne weiteres erzielbar, und zwar bei äußerst kompaktem und stabilem Aufbau.

Eine derartige Laserkopfkonfiguration ist der monolithische Laseraufbau, wobei ein Laserkristall ange­ schliffen, poliert und derart verspiegelt ist, daß der Laserkristall selbst den Laserresonator bildet. Neben größtmöglicher Kompaktheit ist dieser Aufbau besonders stabil, da er keinerlei zu justierende Elemente enthält; Messungen an hochspannungsführenden Teilen sind ohne Beeinflußung der Messung möglich; im Einfrequenzbetrieb können Ausgangsleistungen von einigen mW erzielt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen von Temperaturänderungen unter Verwendung von Laserstrahlung zu schaffen sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einfrequenz der Laserstrahlung eines zweiten frequenzstabilisierten Referenzlasers überlagert wird und die dabei durch Interferenz auftretenden Summen- und Differenzfrequenzen als Meßgröße für die auftretenden Temperaturänderungen verwendet werden.

Das Überlagerungssignal der beiden Laser wird vorteilhafterweise von einer Photodiode detektiert und von einem Hochfrequenzanalysator verarbeitet und angezeigt.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein monolithischer Festkörperlaser über eine Glasfaser mit einer Laserpumpdiode verbunden ist, daß ein frequenzstabilisierter zweiter Referenzlaser vorgesehen ist sowie eine Photodiode, der ein Hochfrequenzanalysator nachgeschaltet ist.

Vorteilhafterweise ist der monolithische Laser derart verspiegelt, daß der der Glasfaser zugewandte Spiegel für die Wellenlänge der Pumpstrahlung hoch transmittierend ist und für die erzeugte Laserstrahlung einen Reflektionsgrad von weniger als 100% aufweist, während der der Glasfaser abgewandte Spiegel für die erzeugte Laserstrahlung hoch reflektierend ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in die die Pumpdiode mit dem monolithischen Laser verbindende Glasfaser eine Y-förmige Weiche eingebaut; zwischen der Y-förmigen Weiche der Glasfaser und der Photodiode ist in vorteilhafter Weise ein wellenlängenselektives Filter zum Abtrennen der Pumpstrahlung vorgesehen.

Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß extrem genaues Messen von Temperaturänderungen in einem dynamischen Bereich von 10⁹ möglich ist mittels eines optischen hochspannungsunempfindlichen Meßverfahrens, das bisherige Meßverfahren um mehrere Größenordnungen sowohl in der Empfindlichkeit als auch in der Dynamik übertrifft. Die erfindungsgemäße Anordnung ist in der Lage, Temperaturänderungen von 0,1 mK in einem dynamischen Bereich von 10⁹ zu messen, aufgrund einer sich linear mit der Temperatur ändernden, auf einer Längenänderung des monolithischen Laserresonators beruhenden Frequenzänderung, die durch Überlagerung mit einem frequenzstabilisierten Referenzlaser und Hochfrequenzanalyse des Schwebungssignales am Ausgang einer Photodiode leicht zu messen ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der in vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch einen monolithischen Festkörperlaser und

Fig. 2 schematisch eine Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung.

Ein monolithischer kleiner Festkörperlaser, bestehend aus einem Laserkristall 1 aus Nd:YAG, der an seinen beiden sich gegenüberliegenden Enden mit Spiegelschichten 2, 3 versehen ist, wird mittels einer Laserdiode 10 über eine Glasfaser 11 optisch gepumpt. Die notwendige Ausgangsleistung der Pumplaserdiode 10 liegt hierbei in einem Bereich von einigen 10 bis 100 mW. Der derart optisch angeregte Festkörperlaser liefert im Einfrequenz­ betrieb eine Ausgangsleistung von einigen mW. Ein derartiger Laser mit monolithischem Aufbau weist eine typische Linienbreite von kleiner als 1 kHz auf, welche die Messung von kleinsten Frequenzverstimmungen in gleicher Größenordnung (d. h. einige 100 Hz bis 1 kHz) ermöglicht.

Durch den monolithischen Aufbau des Lasers ist ferner die exakte Emissionsfrequenz dieses Lasers lediglich von der Kristalltemperatur abhängig, welche die Länge des monolithischen Resonators, der durch die Spiegel 2 und 3 begrenzt wird, bestimmt. Temperaturänderungen des Laserkristalles 1 führen so zu einer unmittelbaren linearen Änderung der Emissionsfrequenz; typische Werte hierfür sind etwa -3 GHz/Kelvin. Eine Überlagerung dieser temperaturabhängig verschobenen Laseremission mit der Emission eines frequenzstabilisierten Referenzlasers, dessen Ausgangsstrahlung in Fig. 2 mit 9 bezeichnet ist, führt zur Erzeugung von Summen- und Differenzfrequenzen durch Interferenz. Wird das optisch überlagerte Signal mit einer Photodiode 7 optisch detektiert und in einem Hochfrequenzanalysator 8 analysiert, so kann die Schwebungsfrequenz direkt sichtbar gemacht werden. Hochfrequenzanalysatoren können Frequenzen bis zu wenigen Hz, sogar bis zu mHz leicht auflösen, bei gleichzeitig sehr hohen freien spektralen Bereichen, bis zu vielen GHz.

Der über die Glasfaser 11 gepumpte monolithische Laserkristall 1 ist nun dergestalt verspiegelt, daß der der Glasfaser 11 zugewandte Spiegel 2 für die Laserstrahlung, die im Falle eines Nd:YAG-Laserkristalls eine Wellenlänge von 1064 nm aufweist einen Reflexionsgrad von weniger als 100% aufweist und gleichzeitig für die eintretende Pumpstrahlung hoch transmittierend ist. Der der Glasfaser 11 abgewandte Spiegel 3 des Laserkristalles 1 ist hingegen für die Erzeugung der Laserstrahlen hoch reflektierend ausgebildet.

Aufgrund dieser Verspiegelung emittiert der über die Glasfaser 11 gepumpte monolithische Laserkristall 1 Laserstrahlung der Wellenlänge 1064 nm in Richtung Glasfaser, aus der die eine Pumpstrahlung von der Laserdiode 10 über die Ankoppeloptik 4′ mit einer Wellenlänge von 810 nm dem Laserkristall 1 zugeführt wird. Die ausgesandte Laserstrahlung wird demzufolge über die Pumpstrahlung-Ankoppeloptik 4 wieder zurück in die Glasfaser 11 fokusiert. In dieser Glasfaser ist nun eine Y-förmige Weiche 5 vorgesehen, durch welche ein Teil der in die Glasfaser 11 eingespeisten Laserstrahlung abgezweigt und in Richtung einer Photodiode 7 geführt wird.

An einer geeigneten Stelle zwischen dem Anbringungsort der Y-förmigen Weiche 5 und der Photodiode ist ein wellenlängenselektives Filter 12 vorgesehen, mit der die Pumpstrahlung, die eine unterschiedliche Wellenlänge aufweist, abgetrennt wird.

Mit 9 ist die Ausgangsstrahlung eines frequenzstabilisierten, nicht näher dargestellten Referenzlasers, z. B. ebenfalls eines monolithischen Festkörperlasers, bezeichnet, dessen Strahlung zusammen mit der durch die Y-förmige Weiche 5 abgetrennten Laserstrahlung des Laserkristalls 1 über eine geeignete Optik 6 der Photodiode 7 und damit dem Hochfrequenzanalysator 8 zugeführt wird. Das hochfrequenzanalysierte Schwebungssignal ist dabei direkt der Längenänderung des Festkörperlasers proportional und somit der Temperatur des Kristalles 1, welcher hier als Temperatursonde wirkt.

Bei einer Frequenzänderung von etwa 3 GHz/K und einer Spektrum-Analysator-Auflösung von 100 Hz oder besser können damit Temperaturunterschiede von unter 0,1 µK aufgelöst werden, in einem Dynamikbereich von nahezu 10⁹.

Der erfindungsgemäße Lasertemperatursensor ist damit in der Lage, hochpräzise Temperatur-Änderungsmessungen in einem großen Dynamikbereich durchzuführen. Bei geeigneter Eichung des monolithischen Lasers sowie des Referenzlasers sind auch absolute Temperaturmessungen mit einer Genauigkeit möglich, welche letztlich nur durch die Eichgenauigkeit bestimmt ist.

Claims (6)

1. Verfahren zum Messen von Temperaturänderungen unter Verwendung von Laserstrahlung, wobei der Laser im Einfrequenzbetrieb arbeitet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Einfrequenz der Laserstrahlung eines zweiten frequenzstabilisierten Referenzlasers überlagert wird und die dabei durch Interferenz auftretenden Summen- und Differenzfrequenzen als Meßgröße für auftretende Temperaturänderungen verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlagerungssignal der beiden Laser von einer Photodiode detektiert und von einem Hochfrequenzanalysator verarbeitet und angezeigt wird.

3. Anordnung zum Messen von Temperaturänderungen zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein monolithischer Festkörperlaser über eine Glasfaser mit einer Laserdruckdiode verbunden ist, daß ein frequenzstabilisierter zweiter Referenzlaser vorgesehen ist sowie eine Photodiode, der ein Hochfrequenzanalysator nachgeschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithische Laser derart verspiegelt ist, daß der der Glasfaser zugewandte Spiegel für die Wellenlänge der Pumpstrahlung hochtransmittierend ist und für die erzeugte Laserstrahlung einen Reflexionsgrad von weniger als 100% aufweist, während der von der Glasfaser abgewandte Spiegel für die erzeugte Laserstrahlung hoch reflektierend ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die die Pumpdiode mit dem monolithischen Laser verbindende Glasfaser eine Y-förmige Weiche eingebaut ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Y-förmigen Weiche in der Glasfaser und der Photodiode ein wellenlängenselektives Filter zum Abtrennen der Pumpstrahlung vorgesehen ist.