DE69410595T2

DE69410595T2 - Aktiver laseroptischer mehrpunkt-lasersensor

Info

Publication number: DE69410595T2
Application number: DE69410595T
Authority: DE
Inventors: Gary Ball; Gerald Meltz; Leon Newman
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1994-01-26
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: US5564832A; EP0681681A1; DK0681681T3; DE69410595D1; EP0681681B1; JPH08506185A; JP3462212B2; WO1994017366A1; US5513913A

Description

Technischer Hintergrund

Es ist in der Technik bekannt, passive Spannungsfühler herzustellen, die von einer optischen Faser Gebrauch machen, in welcher kerninterne Bragg-Gitter als Reflektoren eingebettet sind. Wie bekannt, reflektiert ein Bragg-Gitter nur einen schmalen Wellenlängenbereich des auftreffenden Lichts, d. h., es besitzt ein schmales Wellenlängen-Reflexionsband. Bragg-Gitter lassen sich auf holographischem Weg in den Kern zahlreicher für Experimente verwendeter sowie handelsüblicher Fasern einschreiben, wie dies in dem US-Patent 4,725,110 (Glenn et al) mit dem Titel "Method For Impressing Gratings Within Fiber Optics" und dem US-Patent 4,807,950 (Glenn et al) mit dem Titel "Optical Fiber With Impressed Reflection Gratings" der Anmelderin beschrieben ist.
Derartige passive Fühler beinhalten typischerweise das Einleiten von breitbandigem Licht einer Lichtquelle in ein Ende einer Faser, in der sukzessive mehrere Bragg-Gitter eingeschrieben sind, die voneinander verschiedene Mitten-Reflexionswellenlängen besitzen. Ein Teil des Quellenlichts wird an einem ersten Gitter mit einer zu diesem ersten Gitter gehörigen Reflexionswellenlänge reflektiert. Das übrige Quellenlicht passiert das erste Gitter und gelangt zu einem zweiten Gitter innerhalb der Faser, wo erneut ein Teil des Lichts reflektiert wird, dessen Wellenlänge zu dem zweiten Gitter gehört, und so fort. Das reflektierte Licht wird von einem Wellenlängendetektor am Ende der Faser, an welchen das Quellenlicht eingeleitet wurde, nachgewiesen.
Wenn eines der Gitter in der Faser einer Störung ausgesetzt wird, beispielsweise einer mechanischen Dehnung, einem Druck oder einer Temperaturänderung, so ändert diese Störung die optische Weglänge zwischen aufeinanderfolgenden Elementen innerhalb des Bragg-Gitters und verschiebt dadurch die Reflexionswellenlänge des Bragg-Gitters. Diese Wellenlängen-Verschiebung läßt sich dann von dem Wellenlängen-Detektor nachweisen. Das Ausmaß der Wellenlängen-Verschiebung ist kennzeichnend für den Umfang der auf die Faser einwirkenden Störung an der Stelle des Gitters. Man kann folglich optische Faser-Fühler mit Bragg-Gittern an einem Medium befestigen oder in ein Medium einbetten, um einen großen Bereich von Umgebungs-Störungen nachzuweisen. Diese passive Fühler-Methode ist in dem US-Patent 4,806,012 (Meltz et al) mit dem Titel "Distributed, Spatially Resolving Optical Fiber Strain Gauge" und dem US-Patent Nr. 4,761,073 (Meltz et al) mit dem Titel "Distributed, Spatially Resolving Optical Fiber Strain Gauge" beschrieben.
Wird eine breitbandige Lichtquelle geringer Leistung verwendet, so ist das sich dann ergebende Signal-Rausch-Verhältnis ziemlich gering, da nur ein kleiner spektraler Ausschnitt des Lichts reflektiert wird. Beispielsweise beträgt bei einer breitbandigen Quelle, die 100 uWatt bei 50 nm emittiert, und bei Verwendung eines 50%-Gitter-Reflektors mit einer Wellenlängen-Bandbreite von 0,1 nm die zurückkehrende Lichtleistung etwa 0,1 uWatt, vorausgesetzt, es gibt keine weiteren Verluste innerhalb des Systems (d. h. bei einem System-Wirkungsgrad von 100%). Außerdem tragen andere System-Verluste zu einer Signalbeeinträchtigung bei, so z. B. Faserkoppel-Verluste oder Faser-Fehlanpassungen sowie weitere Faserspleißverluste. Dies führt zu einem geringen Rauschabstand des nachgewiesenen Signals. Ein geringer Rauschabstand erfordert große Filterzeitkonstanten innerhalb des Detektors, was zu einer verschlechterten Sensor-Ansprechzeit führt und/oder die Genauigkeit der Messung in rauschstarken Umgebungen verringert.
Verwendet man hingegen eine schmalbandige Lichtquelle, so konzentriert sich typischerweise die gesamte Leistung in einer schmalen Bandbreite, die kleiner ist als der Hub der Fasergitter-Wellenlängenverschiebung in dem erfaßten Störungs-Betriebsprofil. Daher müssen schmalbandige Laser frequenzmaßig abgestimmt oder gewobbelt werden, um der Gitterreflexions-Wellenlängenverschiebung in dem Betriebsbedingungs- Bereich zu folgen.
Aus diesem Grund ist es wünschenswert, einen Sensor zu schaffen, der die oben angesprochenen Rauschabstands-Probleme passiver Bragg- Gitter-Fühler mit leistungsschwacher Breitbandquelle nicht aufweist und auch keine Anforderungen hinsichtlich der frequenzmäßigen Abstimmung/Wobbelung oder andere Nachteile passiver Bragg-Gitter-Sensoren mit schmalbandiger Quelle aufweist.
Ein aktiver Laser-Fühler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2, welcher Temperaturen feststellt, ist bekannt aus OPTICS LETTERS, Band 17, Nr. 6, 15. März 1992, Washington, US, Seiten 420-422; G.A. Ball et al: "Continuously tunable single-mode erbium fiber laser". Die Detektoreinrichtung weist die Frequenz des von dem mindestens einen Laser ausgegebenen Lichts nach.
Die WO-A-86/01286 offenbart einen Mehrpunktsensor mit einer Reihe von Bragg-Reflektoren, die in einen Wellenleiter eingeprägt sind, wobei die Bragg-Reflektoren als Fühler zum Nachweisen einer Störung an jeder von mehreren unterschiedlichen Stellen dienen; die Störungen entsprechen dabei lokaler physischer oder thermischer Spannung.
PROC. SPIE, Band 1817, 16. Dezember 1992, U.S.A., Seiten 104- 113; Kirn E.A. "Polarisation and modal properties of rare earth doped fiber lasers" offenbart Laser in Form einer optischen Faser mit auf polierte Stirnflächen der Faser aufgeklebten dikroitischen Spiegeln.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines aktiven Laser-Störungsfühlers, der die Verwendung einer Niederfrequenz-Detektoreinrichtung ermöglicht. Erreicht wird dies durch die Merkmale jedes der Ansprüche 1 und 2. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schafft außerdem einen aktiven Mehrpunkt-Fern-Laserfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 18.

Offenbarung der Erfindung

Ziele der Erfindung beinhalten die Schaffung eines aktiven Mehrpunktfern-Faser-Laserfühlers, bei dem die Rauschabstände vergrößert und die Auflösung gegenüber herkömmlichen passiven Bragg-Gitter-Fühlern gesteigert ist.
Erfindungsgemäß verwendet ein aktiver Mehrpunkt-Fern-Faserlasersensor einen Wellenleiter mit mehreren aufeinanderfolgenden Lasem; jeder der Laser besitzt ein Paar Gitter-Reflektoren, welches den Laser bildet, und er wird optisch bei einer Wellenlänge gepumpt, die ein Zustandekommen von Laserbetrieb in einem schmalen Wellenlängenbereich ermöglicht, der zu den Gitter-Reflexions-Wellenlängen in Beziehung steht.
Die Laser-Wellenlänge verschiebt sich aufgrund von Störeinflüssen, beispielsweise bei thermischen Schwankungen oder bei aufgebrachter Spannung oder bei Druck des Wellenleiters an einer gegebenen Laser- Stelle. Zwischen Laser-Wellenlängen existiert eine ausreichend große Lücke, so daß es nur minimale Überlappung zwischen Gitterwellenlängen-Spektren unterschiedlicher Laser innerhalb des Störungs-Betriebsprofils gibt.
Außerdem wird erfindungsgemäß die Anderung der Reflektorgitter- Wellenlänge und damit der Laser-Wellenlänge an mindestens einem Ende der optischen Faser durch einen Wellenlängendetektor nachgewiesen, beispielsweise durch einen Spektrum-Analysator.
Weiterhin enthält erfindungsgemäß jeder Faserlaser mindestens ein Gitterpaar mit schmalem Wellenlängenband. Außerdem enthält erfindungsgemäß jeder Faserlaser ein schmalbandiges und ein breitbandiges Gitter zur Bildung mindestens eines Faserlasers. Weiterhin wird erfindungsgemäß die Ausgangs-Laserwellenlänge am gleichen Ende nachgewiesen, an welchem auch Pumplicht eingeleitet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine nicht-verstärkende Faser zwischen den Faserlasern gespleißt, um die Verstärkungs-Sättigung der Faserlaser zu minimieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein einzelner Laser zum Fühlen an einem Einzelpunkt eingesetzt werden. Außerdem wird erfindungsgemäß eine doppelbrechende Faser als Faserlaser-Resonanzraum verwendet, wodurch mindestens eine Ausgangs- Laserfrequenz für jede Polarisatiorisrichtung erzeugt wird; die Frequenzen werden einander überlagert, um eine niedrige "Schwebungs"-Frequenz zu bilden, was den Einsatz von Detektoren für niedrigere Frequenzen gestattet. Störungen werden nachgewiesen durch eine Änderung der Differenzfrequenz, die sich aufgrund einer entsprechenden Änderung der Doppelbrechung innerhalb des Faserlaser-Resonanzraums einstellt. Die Erfindung stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber früheren Spannungssensoreinrichtungen dar, beispielsweise dem vorerwähnten passiven Bragg-Gitter-Sensor mit optischer Faser, indem aktive Faser laser unter Verwendung von Bragg-Reflektoren für die Resonanzraum- Rückkopplung bereitgestellt werden. Die Erfindung steigert signifikant den Rauschabstand, da die Faserlaser bei höheren Leistungen (d. h. im Milliwatt-Bereich), betrieben werden können als passive Bauelemente im Stand der Techmk. Darüber hinaus arbeitet die Erfindung entweder mit Lasem für Einzel-Longitudinalmodus oder mit mit Seltenerd-Material dotierten linearen Multimoden-Faserlasern. Außerdem schafft die Erfindung die Möglichkeit, bei mehreren Wellenlängen zu arbeiten, so daß man eine Melrrpunkt-Wellenlängenmultiplex-Anordnung aktiver Sensoren in einer einzigen Faser erhält. Darüber hinaus können Laser so ausgebildet werden, daß sie in beide Richtungen senden, so daß der Nachweis an jedem Ende der Faser möglich ist.
Die Erfindung schafft außerdem lineare und wiederholbare Nachweiszonen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines aktiven Mehrpunkt- Fern-Faserlaserfühlers mit mehreren Faserlasern, die entlang einer einzelnen Faser erfindungsgemäß angeordnet sind, wobei das optische Pumpen und der Nachweis am selben Faserende erfolgen.
Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Darstellung eines Einzelfaserlasers innerhalb des Faserlasersensors gemäß der Erfindung.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Intensität gegenüber dem Gitterwellenlängen-Spektrum für zwei Faserlaser, wobei eine Laserwellenlängen-Verschiebung für jeden Laser sowie ein Schutzband zum Unterbinden von Laser-Kopplung gemäß der Erfindung dargestellt ist.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Laser-Wellenlänge gegenüber der Millispannung für einen gegebenen Faserlaser gemäß der Erfindung, wobei die lineare Änderung der Wellenlänge bei Änderung der Spannung dargestellt ist.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Laserwellenlänge in Abhängigkeit der Temperatur für zwei Faserlaserfühler an der gleichen Faser gemäß der Erfindung, wobei die lineare Änderung der Wellenlänge in Abhängigkeit der Temperatur dargestellt ist.
Fig. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen aktiven Mehrpunkt-Fern-Faserlaserfühlers mit mehreren Faserlasem entlang einer einzelnen Faser, wobei das optische Pumpen und der Nachweis am selben Faserende erfolgen.
Fig. 7 ist eine auseinandergezogene Darstellung eines Einzelfaserlasers innerhalb des Faserlaser-Fühlers gemäß der Erfindung.
Fig. 8 ist ein Diagramm der Laserwellenlänge zweier orthogonaler Schwingungstypen einer doppelbrechenden Faser im Einzelmodenbetrieb gemäß der Erfindung.
Fig. 9 ist ein Diagramm der Laserwellenlängen zweier orthogonaler Schwingungstypen einer doppelbrechenden Faser im Multimodenbetrieb gemäß der Erfindung.
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung des Reflexionsvermögens von Bragg-Gittern, betrachtet gemäß der X-Achse und der Y-Achse des Faserlaser-Resonanzraums gemäß der Erfindung.
Fig. 11 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines Einzelfaserlasers mit doppelbrechenden Gittern innerhalb des Faserlaser-Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 12 ist eine seitliche Ausschmtt-Ansicht einer Faser und eines chemisch empfindlichen Mediums zur Schaffung einer doppelbrechenden Faser gemäß der Erfindung.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Gemäß Fig. 1 ist ein optischer Wellenleiter 10, z. B. eine mit Erbium dotierte optische Nachrichtenübertragungs-Faser für Einzel-Raummodus, mit mehreren Faserlasern 12, 14 und 16 ausgestattet. Die Laser 12-16 sind entlang der Faser 10 verteilt, wobei jeder als ein Sensor agiert und jeder sich an einem Punkt befindet, an welchem die Messung einer Störung, z. B. von Dehnung, Temperatur, Druck etc. vorzunehmen ist. Andere mit Seltenerd-Material dotierte optische Fasern oder Wellenleiter können auf Wunsch eingesetzt werden.
Jeder der Laser 12-16 besitzt ein Paar Bragg-Gitter-Reflektoren 18, 20, die mit bekannten Methoden in den Kern der Faser 10 eingebettet sind, beispielsweise mit Hilfe der holographischen Methode, die in den US- Patenten 4,725,110 und 4,807,950 der Aninelderin beschrieben ist.
Zwischen den Gittern 18 und 20 für jeden Laser befindet sich eine Resonanzraumzone 21 vorbestimmter Länge und Verstärkung, die gemeinsam mit den Gittern 18 und 20 einen Faserlaser bildet, wie es in der anhängigen US-Patentanmeldung mit den Aktenzeichen 07/732,552 mit dem Titel "Single Mode Optical Fiber Laser Using Bragg Grating Reflectors" der Anmelderin beschrieben ist.
Eine Pumplichtquelle 28, z. B. eine 980-nm-Laserdiode mit einer Leistung von 80 mW liefert Pumplicht 30 entlang einer Faser 31 zu einem Koppler 29, z. B. einem Wellenlängen-Multiplexer (WDM), der das Licht 30 aus der Faser 31 in ein Ende der Faser 10 zum Pumpen der Faserlaser 12-16 koppelt. Auf Wunsch können andere mit Seltenerd- Material dotierte Faserlaser verwendet werden, vorausgesetzt, es ist ausreichende Verstärkung für den Laserbetrieb vorhanden und es wird die richtige Pumpwellenlänge verwendet; ein Beispiel ist ein mit Neodym dotierter Faserlaser, der von einer bei 810 nm arbeitenden Laserdiode gepumpt wird.
Die Faser 10 kann auf der Oberfläche einer (nicht gezeigten) Struktur angeordnet oder in der Struktur eingebettet sein, wobei die Laser 12-16 strategisch an solchen Punkten entlang der Faser 10 innerhalb der Struktur angeordnet werden, an denen Störungen nachgewiesen werden sollen.
Die Bragg-Gitter 18 und 20 sind, wie an sich bekannt ist und oben diskutiert wurde, innerhalb einer schmalen Wellenlängen-Spanne stark reflektierend. Folglich kann jeder Faserlaser 12, 14 und 16 so ausgebildet sein, daß er über eine schmale Wellenlängen-Spanne im Laserbetrieb arbeitet (d. h. bei einem einzigen oder einer geringen Anzahl von Longitudinal-Schwingungstypen), die jeweils eine Mitten-Wellenlänge λ1, λ2, λn aufweisen. Beispielsweise beträgt bei einem mit Erbium dotierten Faserlaser, der bei 980 nm gepumpt wird, die Laserwellenlänge etwa 1,53 Mikrometer.
Von dem Koppler 29 (und von der Quelle 28) kommendes Licht 30 wird in ein Empfangsende der Faser 10 eingeleitet und regt den Faserlaser 12 zum Schwingen bei einer vorbestimmten Wellenlänge von z. B. etwa 1,5 Mikrometer an. Auf Wunsch können andere Laser-Wellenlängen verwendet werden. Da die Bragg-Gitter 18 und 20 eine schmale Reflexions- Bandbreite aufweisen, welche sich von der Bandbreite der Pumplichtquelle unterscheidet, pumpt das Pumplicht 30 den Laser 12 und läuft an den Gittern 18 und 20 des Lasers 12 vorbei, pumpt den Laser 14, und so fort entlang der Faser 10, einschließlich des Lasers 16. Es sollte gesehen werden, daß die zum Pumpen sämtlicher Faserlaser in dem System erforderliche Pumpleistung in direkter Beziehung steht zur Länge der Faser und zu der Anzahl von Lasem, die entlang der Faser 10 zu pumpen sind.
Die Laser 12-16 sind so ausgebildet, daß sie Ausgangslicht sowohl von den vorderen Gittern 18 als auch den hinteren Gittern 20 emittieren, wobei allerdings nur von den vorderen Gittern 18 emittiertes Licht nachgewiesen wird. Genauer gesagt: der Laser 12 emittiert Licht 32 an seinem vorderen Gitter 18, wobei das Licht kennzeichnend ist für die zu dem Laser 12 gehörige Laser-Wellenlänge. In ähnlicher Weise emittiert der Laser 14 Licht 34 von der vorderen Facette 18, kennzeichnend für die Laser-Wellenlänge des Lasers 14. Außerdem emittiert der Laser 16 Licht 36 von seiner vorderen Facette 18 mit einer Wellenlänge, die kennzeichnend ist für die Laser-Wellenlänge des Lasers 16. Die Lichtstrahlen 32, 34 und 36, die von den Lasern 12, 14 bzw. 16 emittiert werden, verlassen die Faser 12 am gleichen Ende, an dem das gepumpte Licht 30 eingeleitet wurde, und es gelangt in den Koppler 29, der das Licht 32, 34 und 36 so, wie es gemeinsam durch eine Linie 40 angedeutet ist, auf eine Faser 42 koppelt.
Das Ausgangslicht 40 wird von einem bekannten Spektrum-Analysator 50 nachgewiesen, z. B. einem optischen Fabry-Perot-Spektrumanalysator mit einer Auflösung von 15 MHz, oder einem Gitter-Spektrumanalysator mit einer Auflösung von 0,1 bis 0,01 nm. Jedes Bauelement, welches imstande ist, optische Wellenlängen nachzuweisen, kann eingesetzt werden, falls erwünscht. Wenn ein Faserlaser einer Störung ausgesetzt wird, beispielsweise einer mechanischen Spannung oder einer Temperaturänderung, so verschiebt sich die Laserwellenlänge in vorhersagbarer Weise (wie es weiter unten diskutiert wird). Wenn sich die Laser-Wellenlängen der Faserlaser 12-16 verschieben, weist der Spektrum-Analysator 50 diese Verschiebungen nach und liefert elektrische Signale über mehrere Leitungen 52, die jeweils ein elektrisches Signal an einen Signalprozessor 54 liefern, welches kennzeichnend ist für die Laserwellenlänge eines gegebenen Faserlasers. Der Prozessor 54 ermittelt die relative Änderung der erfaßten Störungen aus den Wellenlängen-Verschiebungen und liefert mehrere elektrische Ausgangssignale über Leitungen 56, welche kennzeichnend sind für die nachgewiesene Störung, beispielsweise Temperatur, Druck, Spannung etc. an der gegebenen Laserstelle entlang der Faser.
Nunmehr auf Fig. 2 bezugnehmend, wird jedes der Gitter 18, 20 aus mehreren Linien (oder Perioden oder Elementen) 62 gebildet, welche die Periodizität der Anderung des Brechungsindex (n) repräsentieren, die dem Kern des Fasers mit Hilfe einer holographischen Methode aufgeprägt wurde, die in den vorerwähnten Patenten 4,725,110 und 4,807,950 beschrieben sind. Beispielsweise repräsentiert jede Linie 62 einen Spitzenwert in einer Sinuswellen-Verteilung des n-Werts entlang der Gitter 18 und 20. Betrachtet man z. B. "schwache" Gitter (d. h. solche für kleine Amplituden der n-Schwankung), so bezieht sich die Anzahl von Perioden 32 in einem Gitter auf die Schmalheit des Wellenlängen-Reflexionsbandes für eine gegebene Amplitude der n-Schwankung.
Wie bekannt, stehen die von einem Gitter reflektieren Wellenlängen in direkter Beziehung zu dem Abstand Δx, Δy zwischen Perioden der n- Schwahkung (d. h. der Periodizität) für die Gitter 18 bzw. 20. Genauer gesagt: die Mitten-Wellenlänge λb, bei der das Gitter-Reflexionsvermögen maximal ist, wird allgemein definiert in der Form λb=Δx/2neff; wobei neff der Brechungsindex ist, der zu der räumlichen Schwingungstyp-Ausbreitung innerhalb des optischen Wellenleiters gehört.
Das Maß des Reflexionsvermögens (d. h. die Stärke) des Gitters, bestimmt sich durch das Produkt der Länge des Gitters und der maximalen Index-Änderung (d. h. der Amplitude der periodischen Index-Verteilung). Es sollte verstanden werden, daß in den Fig. 1 und 2 die Anzahl der Perioden 32 viel geringer dargestellt ist, als es dem praktischen Fall entspricht, wobei die Darstellung lediglich zu Anschauungszwecken dient.
Der Faserlaser ist mit einer Resonanzraumlänge L zwischen zwei Reflexionsgittem in der Weise ausgestattet, daß ein Laser gebildet wird, der bei Longitudinal-Schwingungstypen anschwingt, die durch die bekannte Resonanzbedingung 2neffL = mλ definiert sind, wobei m eine ganze Zahl, X die Resonanz-Wellenlänge im Vakuum und L die Resonanzraumlänge ist. Die Resonanzraumlänge L ist groß genug bemessen, um dafür zu sorgen, daß eine angemessene Verstärkung zum Anschwingen des Laserbetriebs vorhanden ist. Die Länge L kann von einem Zentimeter zu einigen hundert Zentimeter reichen; allerdings können auf Wunsch auch andere Längen gewählt werden.
Wenn die auf den Laser einwirkende Störung bewirkt, daß sich der periodische Abstand Δx für das Gitter 18, der periodische Abstand Δy für das Gitter 20 und die Resonanzraumlänge L sämtlich um die gleiche optische Weglänge d ändern, und/oder bewirkt, daß der Brechungsindex sich in jedem Bereich gleichermaßen ändert, so ändert der Laser seine Laser-Wellenlänge sprungfrei, d. h. er wird auf eine neue Laser-Wellenlänge "abgestimmt". Nunmehr auf Fig. 3 bezugnehmend, sollten die Laser-Wellenlängen λ1, λ2, λn für jeden der Laser 12, 14 und 16 so eingerichtet sein, daß der Laserbetrieb bei unterschiedlichen Wellenlängen mit einer ausreichenden Lücke zwischen letzteren stattfindet, so daß es keine (allenfalls eine minimale) Überlappung zwischen dem Gitterwellenlängen-Spektrum der unterschiedlichen Laser innerhalb des Störungs-Betriebsprofils gibt. Obschon eine gewisse Überlappung zulässig ist, werden, wenn es eine signifikante Gitter-Spektralüberlappung zwischen zwei Lasem gibt, die Laser gekoppelt, was zu gestörten Ausgangssignalen führt. Somit sollte. die Wellenlängentrennung Δλ zwischen benachbarten Laser-Wellenlängen groß genug sein, um die maximal zu erwartende individuelle Laser-Schwankung Δλ1, Δλ2 aufgrund der erfaßten Störungen, zuzüglich einer zusätzlichen Wellenlängentrennung Δλg, als "Schutzband" bezeichnet, zu berücksichtigen und somit zu gewährleisten, daß es keine Gitter-Spektralüberlappung gibt. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Laser unabhängig voneinander arbeiten, indem eine Laserkopplung unterbunden wird. Für die vorliegende Erfindung wurde das Schutzband auf 0,2 nm eingestellt; allerdings können auf Wunsch andere Schutzbänder verwendet werden.
Die Empfindlichkeit gegenüber externen Störungen an der Faser ist proportional zu der Reflexionswellenlänge des Bragg-Gitter-Paares, welches zu einem gegebenen Laser gehört, außerdem ist sie eine Funktion der Temperaturänderung oder der mechanischen Längsdehnung. Es sollte gesehen werden, daß jegliche Störung, welche die Periode oder den effektiven Brechungsindex des Gitters ändert, erfaßt werden kann. Die Bruchteils-Änderung in der Reflexionswellenlänge und mitlün die Laser-Wellenlänge aufgrund einer Änderung der mechanischen Spannung oder der Temperatur beträgt:
wobei:
q der von der Wellenlänge abhängige thermooptische Koeffizient ist; α der Ausdehnungskoeffizient des Wellenleiters ist; &epsi; die axiale oder Längsdehnung ist; λ die Mitten-Wellenlänge ist, die von dem Gitter reflektiert wird; n der Brechungsindex des Kerns des optischen Wellenleiters ist; und Δ die Temperaturänderung ist.
Nunmehr auf Fig. 4 bezugnehmend, haben wir herausgefunden, daß bei einem mit Erbium dotierten Faserlaser die lineare Beziehung, die in der obigen Gleichung 1 zwischen der Wellenlängenänderung und der in einem Faserlaser hervorgerufenen Dehnung beschrieben ist, nicht nur linear ist, sondern auch wiederholbar. Die Daten in Fig. 4 wurden von einem Faserlaser mit einer Resonanzraumlänge von 3 cm erhalten; allerdings können auf Wunsch auch andere Resonanzraumlängen verwendet werden.
Nunmehr auf Fig. 5 bezugnehmend, haben wir außerdem herausgefunden, daß bei einem mit Erbium dotierten Faserlaser die lineare Bezie hung, die in der obigen Gleichung 1 zwischen der Wellenlängenänderung und der Temperaturänderung an dem Faserlaser beschrieben wird, sowohl linear als auch wiederholbar ist für zwei Laser mit verschiedenen Mitten-Wellenlängen an derselben Faser. Die Änderung der Sensor-Wellenlänge als Funktion der thermischen Änderung ergab sich durch Messung zu etwa 0,011 nm/ºC, wie in Fig. 5 gezeigt ist, und zwar für einen Faserlaser mit einer Resonanzraumlänge von 25 cm, der bei 3 bis 5 Laser-Moden arbeitete (abhängig von der aufgebrachten Pumpleistung). Auf Wunsch können andere Resonanzraumlängen und Anzalllen von Laser-Moden verwendet werden.
Eine Möglichkeit, die auf einen gegebenen Laser einwirkende Spannung festzustellen, besteht darin, die Temperatur konstant zu halten oder die Temperatur an dem Laser zu messen (oder zu berechnen), um dann die Gleichung 1 nach der aufgebrachten Spannung zu lösen. Eine ähnliche Methode kann zur Bestimmung der Temperatur angewendet werden.
Weil die Empfindlichkeit der Wellenlängenänderung bezüglich der Temperatur auch eine Funktion der Wellenlänge ist, läßt sich eine auf die Temperatur bezogene Verschiebung nachweisen, ohne daß die Spannung konstant gehalten wird. Wenn z. B. zwei bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeitende Laser Seite an Seite oder hintereinander derart plaziert werden, daß sie beide der gleichen Spannung ausgesetzt sind, so zeigen beide die gleiche Verschiebung aufgrund der Spannung, aufgrund der Temperatur jedoch zeigen sie eine unterschiedliche Verschiebung. Wenn folglich die Verschiebungen der beiden Laser voneinander subtrahiert werden, verbleibt die lediglich durch die Temperatur bedingte Verschiebung.
Wenn gemäß Fig. 2 die Störung nicht-gleichmäßige Änderungen zwischen den Perioden der Gitter 18 und 20 und der Resonanzraumlänge L hervorrufen, führt der Laser ein (zeitlich) zufälliges Zurück- und Vorwärts-Springen zwischen zwei Längsmoden für eine gegebene aufgebrachte Spannung oder Temperatur aus, so daß die Sensorauflösung verschlechtert wird. In diesem Fall ist die Sensor-Auflösung oder - Ungenauigkeit gleich dem Frequenzabstand Δν (oder dem freien Spektralbereich) zwischen benachbarten Schwingungstypen, gegeben durch die bekannte Gleichung Δν=c/2neffL; wobei c die Lichtgeschwindigkeit und L die Laserresonanzraum-Länge ist. Bei einer Resonanzraumlänge von 3 cm ändert sich die Wellenlänge also um 0,027 nm (Δν=3,4 Hz), bei einer Resonanzraumlänge von 25 cm beträgt die Wellenlängenänderung 0,0032 nm (Δν=0,41 Hz).
Diese Verschlechterung läßt sich verringern, indem man zuläßt, daß der Sensor mit mehreren (z. B. 5) Schwingungstypen schwingt (d. h. durch Verwendung eines Multimoden-Lasers). In diesem Fall kann die durchschnittliche oder Mitten-Wellenlänge zur Bestimmung einer gegebenen Sensor-Wellenlänge herangezogen werden. Kleine Störungen in der Resonanzraumlänge rufen folglich eine Verschiebung der Verteilung der spektralen Leistung (der Intensität) unter den Longitudinal-Moden hervor, was zu einem sprungfreien spektralen Übergang von einem Modus zum anderen führt, im Gegensatz zu dem abrupteren Moden-Springen, welches bei dem oben angesprochenen Einzelmoden-Laser erfolgt.
Anstatt zwei Bragg-Gitter mit schmalem Reflexionswellenlängenband für jeden Laser-Sensor zu verwenden, können die Laser ein Gitter mit einem schmalen und ein Gitter mit einem breiten Band aufweisen. Ein breitbandiges Gitter kann dadurch erzeugt werden, daß man ein kürzeres, stärkeres Gitter (stärkere Änderung der Schwahkung von n) herstellt. In diesem Fall bestimmt das schmalbandige Gitter die Laser- Wellenlänge. Damit kann man das schmalbandige Gitter als "fühlendes" Gitter verwenden, wobei lediglich dieses Gitter an der Meßstelle vorhanden ist. Dies minimiert den oben diskutierten Effekt der ungleichmäßigen Spannung zwischen einem Gitter und dem anderen Gitter einund desselben Lasers.
Außerdem kann die Faser 10 (Fig. 1) an dem einen Ende oder in einen Abschnitt einer längeren Nachrichten-Faser gespleißt sein, die optisch und vom Material her kompartibel ist. Außerdem kann der Abstand von dem Koppler 29 zu dem ersten Laser 12 eine große Strecke sein, so daß das Fühlen an einem entfernten Ort möglich ist.
Anstatt die Faser 10 (Fig. 1) ausschließlich als optische Faser mit einer Dotierung aus demselben Seltenerd-Material zu verwenden, kann man in den Zonen 60 zwischen den Lasem 12-16 und/oder zwischen dem Laser 12 und der Pumplichtquelle 28 auch einen undotierten (d. h. keine Verstärkung aufweisenden) und/oder leicht dotierten (d. h. eine geringe Verstärkung aufweisenden) Faserleiter spleißen (d. h. ein Medium "mit einer zusätzlichen" Verstärkung). Dies unterstützt die Minünierung der möglichen Verstärkungssättigung, die durch verstärktes Laserlicht hervorgerufen wird, welches von jedem Laser emittiert wird und andere Laser durchlaufen hat, wobei es das Verstärkungsmedium der anderen Laser innerhalb des Systems teilweise angeregt hat.
Obschon die Laser 12-16 (Fig. 1) in Verbindung mit Gittern beschrieben wurden, welche Licht sowohl von dem vorderen Gitter 18 als auch dem hinteren Gitter 20 emittieren, sollte gesehen werden, daß das von den Gittern ausgegebene Licht festgelegt wird durch das Reflexionsvermögen der Gitter. Dementsprechend kann eines der Gitter oder können beide Gitter 18 und 20 so ausgestaltet werden, daß sie weniger verstärktes Licht emittieren, indem man bei der Laserwellenlänge oder den Laserwellenlängen ein sehr hohes Reflexionsvermögen einstellt. Erfolgt der Nachweis der Wellenlänge an einem Ende der Faser 10 (so wie in Fig. 1), so kann es wünschenswert sein, daß das am weitesten von dem Sensor entfernte Lasergitter derart ausgebildet ist.
Es sollte gesehen werden, daß, obschon die Erfindung in Zusammenhang mit der Verwendung einer optischen Faser beschrieben wurde, die Erfindung gleichermaßen arbeitet in Verbindung mit irgendeinem anderen optischen Wellenleiter-Laser mit Gittern, die in diesen eingebettet sind und Reflexions-Wellenlängen besitzen, die gegenüber Störungen empfindlich sind.
Obschon die Erfindung anhand der Verwendung von Bragg-Gittern erläutert wurde, sollte der Fachmann verstehen, daß jegliche Form einer schmalbanding reflektierenden Oberfläche mit vorhersagbarem Reflexionsverhalten in Abhängigkeit von Spannung und/oder Temperatur dazu benutzt werden kann, den Laserresonanzraum zu begrenzen.
Obschon die Erfindung in Verbindung mit mehreren aufeinanderfolgenden Lasern als Sensoren erläutert wurde, versteht sich, daß man auch einen Einzel-Laser/Sensor verwenden kann, um nur an einer einzigen Stelle zu messen.
Bezugnehmend auf Fig. 6 kann man, anstatt eine übliche, mit Seltenerd- Material dotierte Faser als Fasern 21 zur Bildung der Resonanzräume für die Laser 12, 14 und 16 zu verwenden, eine doppeibrechende Faser verwenden. Die Faser kann auf Wunsch polarisations-erhaltend sein. Bei dieser Ausführungsform bewirkt die Doppelbrechung in den Fasern 21, daß ein Paar benachbarter Laserfrequenzen vorhanden ist, eine Frequenz auf jeder der Achsen der doppeibrechenden Faser. Somit umfaßt jede der Ausgangslicht-Wellen 32, 34 und 36 der Laser 12, 14 und 16 Licht, welches entlang einer ersten und einer zweiten (orthogonalen) Achse polarisiert ist.
Wie oben diskutiert, koppelt der Koppler 29 die Lichtstrahlen 32, 34 und 36 als kombiniertes Strahlenbündel 40 auf die Faser 42. Das Licht 40 tritt aus der Faser in Form eines divergierenden Strahlenbündels 100 aus und gelangt in eine Linse 102, welche das Strahlenbündel 100 zu einem kollimierten Bündel 104 umwandelt. Das Strahlenbündel 104 trifft auf ein Beugungsgitter 106, welches das Strahlenbündel 104 in mehrere kollimierte Strahlenbündel 108, 110 und 112 aufspaltet, die jeweils kennzeichnend sind für eine verschiedene Wellenlänge λ1, λ2 bzw. λn. Die Strahlenbündel 108, 110 und 112 treffen auf eine Linse 114, die sie zu fokussieren Strahlenbündeln 116, 118 bzw. 120 umwandelt, welche ihrerseits auf 45-Grad-Analysatoren 122, 124 und 126 fokussiert werden. Die Analysatoren 122, 124 und 126 liefern in bekannter Weise einen Ausgangsstrahl, der kennzeichnend ist für einen Anteil des Eingangs- Strahls, welcher. auf ihrer Ausgangsachse 130 (die im folgenden diskutiert wird) projiziert wird. Die Analysatoren 122, 124 und 126 liefern Ausgangsstrahlen 132, 134 und 136 an optische Detektoren 138, 140 bzw. 142, die in der Lage sind, die entsprechenden Wellenlängen λ1, λ2 bzw. λn nachzuweisen. Die optischen Detektoren 136, 140 und 142 liefern elektrische Signale über Leitungen 144, 146 und 148 entsprechend den Wellenlängen λ1, λ2 bzw. λn. Die Leitungen 144, 146 und 148 können jeweils zu einem zugehörigen Diskriminator führen (ein billiger elektronischer Detektor, der in einem engen Frequenzbereich arbeitet), oder können zu einem elektronischen Mikrowellen- oder HF- Spektrumanalysator (nicht dargestellt) führen, um die gewunschten Frequenzen nachzuweisen (dies wird unten noch diskutiert).
Die doppelbrechende Faser 21 besitzt einen effektiven Brechungsindex nx entlang einer ersten Polarisationsaches (d. h. der X-Achse) und einen effektiven Brechungsindex ny entlang einer orthogonalen Polarisationsachse (d. h. der Y-Achse). Das Eingangs-(Pump-)Licht 30 läuft in die Faser 21 entlang beider Polarisationsachsen. Jede Art von Pumplicht kann eingesetzt werden, vorausgesetzt, es findet Laserbetrieb in beiden Polarisationen statt (d. h., es werden Longitudinalmoden in beiden Polarisationen angeregt). Da die Faser doppelbrechend ist, ist nx verschieden von ny, und somit läuft das entlang der X-Achse polarisierte Licht 48 mit einer anderen Geschwindigkeit (oder Bewegungsgeschwindigkeit), als das Licht 49 entlang der Y-Achse läuft, wie es bekannt ist. Somit unterscheidet die optische Weglänge, die von dem Licht entlang der X- Achse gesehen wird, von derjenigen, die von dem Licht entlang der Y- Achse gesehen wird. Im Ergebnis arbeitet der Laser bei zwei verschiedenen Frequenzen, eine Frequenz entlang jeweils einer Polarisationsachse.
Bei einem Einzellaserresonanzraum ist gemäß Fig. 8 die Laserfrequenz für die X-Achse mit νx1 bezeichnet, und die Laserfrequenz entlang der Y-Achse ist mit νy1 bezeichnet. Für einen Einzel-Longitudinal-Laserschwingungstyp in jeder Polarisation gibt es nur eine derartige Laserfrequenz für jede Achse, wie dargestellt ist. In einem solchen Fall hängt die Differenz zwischen den Frequenzen νx1 und νy1 ab von: der Resonanzfrequenz des Laserresonanzraums (z.B. dem von Longitudinalmoden freien Spektralraum), der Doppelbrechung des Resonanzraums (durch beliebige Mittel veranlaßt) und dem spektralen Reflexionsvermögen der Gitter (d. h. vom Typ der Modenverteilung, die durch die Gitter geschaffen wird).
Von jedem Laser 12, 14 und 16 treten zwei verschiedene Polarisations- Laserfrequenzen νx1 und νy1 als Strahlenbündel 32, 34 und 36 aus, um den Koppler als kombiniertes Strahlenbündel 40 zu verlassen, welches dann in getrennte Bündel 116, 118 und 120 aufgespalten wird, jeweils kennzeichnend für die Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2; bzw. λn. Obschon zwei (oder mehr) Wellenlängen (oder Frequenzen νx1 und νy1 tatsächlich für jeden Laser anschwingen, weil die Linien eng nebeneinander liegen, ist in Fig. 6 jeder Laser so bezeichnet, als schwinge er nur mit einer einzigen allgemeinen Wellenlänge λ&sub1;, λ&sub2; bzw. λn, was annähernd gleich ist den Laser-Linien für jeden der Laser 12, 14 bzw. 16.
Die Analysatoren 122, 124 und 126 kombinieren dann einen Anteil der beiden Polarisationsfrequenzen für eine gegebene Wellenlänge zu einem Ausgangsstrahlenbündel 132, 134 und 136 mit einer 45-Grad-Polarisation (basierend auf der Ausgangsachse 130 der Analysatoren). Es sollte gesehen werden, daß die Ausgangsachse nicht 45 Grad betragen muß.
Anstelle eines Analysators kann jegliches Mittel zum Kombinieren der Polarisationen in eine gemeinsame Polarisation eingesetzt werden, falls dies erwünscht ist.
Die Detektoren 138, 140 und 142 sind Photodioden mit einer Bandbreite, die in der Lage ist, den entsprechenden Frequenzbereich nachzuweisen. Im allgemeinen erzeugt ein Detektor eine Spannung, die proportional ist zum Quadrat der ihm zugeführten optischen Felder, das heißt sie führen eine optische Kohärenz-Detektion durch. Wenn folglich die Summe der elektrischen Felder entlang der Ausgangsachse des Analysators E&sub1;cosν&sub1;t + Ecosν&sub2;t gleicht, ist das Ausgangssignal des Detektors proportional zum Qua4rat jenes Feldes. Weiterhin enthält in bekannter Weise das Quadrat jenes Feldes eine Differenzfrequenz (Δν) oder Schwebungsfrequenz (νb), welches dem Absolutwert der Differenz zwischen den beiden Laserfrequenzen gleicht, das heißt νb = ν&sub1;-ν&sub2; . Es existieren noch andere Frequenzen, zum Beispiel die Summen-Frequenz und die doppelte Frequenz, bei denen es sich um viel höhere Frequenzen als die Schwebungsfrequenz νb handelt.
Bei einer gegebenen Doppelbrechung (das heißt einer gegebenen Differenz zwischen nx und ny) eines gegebenen Laserresonanzraums gibt es folglich ein zugehöriges elektrisches Ausgangssignal (von einem zugehörigen Detektor), welches eine unterste Frequenzkomponente gleich dem Wert der Schwebungsfrequenz νb hat. Die Schwebungsfrequenz νb liegt viel niedriger in der Frequenz als ν&sub1; oder ν&sub2; jeweils für sich genommen und steht in vorhersagbarer Weise in Beziehung zu der Doppelbrechung der Faser. Folglich benötigt diese Ausführungsform nicht den Einsatz des optischen Spektrum-Analysators 50 aus Fig. 1, sondern kann stattdessen einen Detektor für eine viel niedrigere Frequenz (zum Beispiel für HF oder Mikrowellen) verwenden. Wenn beispielsweise die Faser-Doppelbrechung etwa 1x10&supmin;&sup5; beträgt und ν&sub1; und ν&sub2; etwa 2x10¹&sup4; Hz betragen und um 680 MHz beabstandet sind, beträgt die Schwebungsfrequenz νb 680 MHz.
Außerdem ist der Frequenzgang der Detektoren 138, 140 und 142 derart beschaffen, daß die Detektoren jegliche extrem hohen Frequenzen ausfiltern. Ein breitbandiger optischer Detektor, beispielsweise in GaAs- Photodetektor, besitzt einen Nachweis-Frequenzbereich von beispielsweise 50 GHz. Auf Wunsch können auch andere optische Hochgeschwindigkeits-Detektoren benutzt werden, vorausgesetzt, sie besitzen eine akzeptierbare Bandbreite.
Nunmehr auf Fig. 9 bezugnehmend, gibt es, wenn mehrere Lasermoden für jeden der Laser 12, 14 und 16 existieren, auch mehrere Δν's, das heißt, Δν&sub1;, Δν&sub2;, Δν&sub3;, etc. Außerdem sind die Abstände 150 zwischen benachbarten Schwingungstypen der X-Achsen-Polarisation gleich c/2nxL, und der Abstand 152 zwischen benachbarten Schwingungstypen der Y-Achsen-Polarisation ist gleich c/2nyL.
Weil nx und ny (zum Beispiel aufgrund von Doppelbrechung) geringfügig verschieden sind, ist der Abstand 150 etwas verschieden von dem Abstand 152. Damit ist Δν&sub1; geringfügig größer als Δν&sub2;, welcher Wert seinerseits etwas größer als Δν&sub3; ist, etc. Somit gibt es beim Multimodenbe-28 04.98 13:13 trieb nicht eine einzelne Schwebungsfrequenz Δν eines gegebenen Detektors, sondern eine Frequenzspanne, weil mehrere Δν-Frequenzen existieren. Demzufolge ist die Linienbreite der Schwebungsfrequenz bei einem Multimodenlaser größer als bei einem Einzelmodenlaser. In diesem Fall verschlechtert sich die Auflösung etwas, und je mehr Moden vorhanden sind, desto stärker ausgeprägt ist die Verschlechterung (oder die verringerte Genauigkeit).
Außerdem sollte von dem Fachmann verstanden werden, daß eine Schwebungs- (oder Differenz-)Frequenz für jedes Paar vorhandener Schwingungstypen existiert (einschließlich Schwingungstypen entlang der gleichen Polarisationsachse). Allerdings läßt sich die Schwebungsfrequenz (oder -frequenzen) zwischen den Laserfrequenzen der X-Achse und der Y-Achse, welche nachgewiesen werden sollen, wunschgemäß auswählen. Beispielsweise kann der niedrigste Frequenzdifferenz-Wert dazu benutzt werden, einen Detektor mit geringer Bandbreite einzusetzen.
Bei Verwendung einer doppelbrechenden Faser wird zur Messung einer Störung (zum Beispiel einer Spannung oder Temperatur) durch Nachweis einer Verschiebung der Laserwellenlänge eine Verschiebung der vorerwähnten Differenz-Frequenz (oder der "Schwebung") gemessen. Man sieht, daß auch bei dieser Ausführungsform ebenfalls eine Verschiebung in der Laserwellenlänge erfolgt. Es ist bekannt, daß bei Aufbringen einer Spannung auf eine polarisationserhaltende Faser mit eliptischem Kern sich nx und ny unterschiedlich ändern, so daß die Differenz (oder Doppelbrechung) eine im wesentlichen lineare Funktion der aufgebrachten Spannung ist, wie dies beschrieben ist in folgenden Artikeln: M.P. Varnham et al., "Polarimetric Strain Gauges Using High Birefringence Fibre", Electronics Letters, Band 28, Nr.17 (Aug.1983); und D. Wong et al., "Strain-Induced Birefringence in Mechanically Inhomogeneous Optical Fibre", Electronics Letters, Band 25, Nr. 22 (Okt.1989).
Als Beispiel für das Ausmaß der Verschiebung in Relation zu der aufge brachten Zugspannung verursacht bei einer Schwebungsfrequenz von 680 MHz eine Änderung der Spannung von 1 Millispannung eine Änderung von νb von etwa 4 MHz Außerdem hängt das Ausmaß der Verschiebung der Schwebungsfrequenz, die bei aufgebrachter Spannung oder Temperatur stattfindet, vom Typ der Faser ab.
Bezugnehmend auf die Fig. 7 und 10 können die Bragg-Gitter 18 und 20 für jeden der Laser 12, 14 und 16 (Fig. 1) in einer nicht-doppelbrechenden Faser ausgebildet werden, die dann in bekannter Weise an den gewunschten Stellen in die Faser eingespleißt werden In diesem Fall ist die Gitter-Reflextionsspitze, wie sie seitens der X-Achsen-Polarisation gesehen wird, bei einer etwas anderen Frequenz angesiedelt als die Gitter-Reflexionsspitze, wie sie von der Y-Achsen-Polarisation gesehen wird. Im Ergebnis sehen die zwei Laser-Polarisationsachsen in den Faserresonanzräumen jedes der Laser 12, 14 und 16 eine kleine Frequenzdifferenz Δνbragg zwischen den Gitter-Reflexionsspitzen (welche die Laserfrequenz festlegt), wie in dem Graphen der Fig. 10 dargestellt ist. Zurückzuführen ist diese Differenz auf die Art und Weise, in der die Bragg-Gitter hergestellt werden, das heißt die Art und Weise, in der das elektrische Feld zur Schaffung des Gitters auf die Faser aufgebracht wird, wie dies in den US-Patenten 4 807 950 und 4 725 110 von Glenn et al. mit dem Titel "Method for Impressing Gratings Within Fiber Optics" erläutert ist. Außerdem sollte gesehen werden, daß, wenn die Gitter in die Faser eingespleißt werden, aufgrund der Spleißung keine Signalbeeinträchtigung stattfindet.
Wenn auf einen gegebenen Faserlaser (einschließlich der Gitter) eine Spannung aufgebracht wird, verschieben sich die Spitzenwerte des Reflexionsvermögens der Gitter, was im wesentlichen zurückzuführen ist auf eine Änderung der Periodizität der Gitter, wie es oben flir den nichtdoppelbrechenden Faserlaser erläutert wurde (die Verschiebung ist außerdem - zu einem geringeren Anteil - zurückzuführen auf die Änderung des Brechungsindex' in dem Gitter). Weil allerdings beide Polarisationsachsen des Laserresonanzraums die gleiche Verschiebung des Reflexionsvermögens sehen, verschiebt sich die Laserwellenlänge um den gleichen Betrag für beide Laser-Polarisationen. Somit bleibt die Frequenzdifferenz Δνbragg zwischen den Spitzenwerten der Gitter-Reflexionsvermögen über den Bereich der auf die Faser aufgebrachten Spannungen im wesentlichen konstant.
Folglich beeinflußt eine auf die Gitter aufgebrachte Spannung nicht die Ausgangs-Schwebungsfrequenz νb. Weil der Wert Δνbragg zwischen den Spitzenwerten der Reflexionsvermögen im Bereich des Betriebsprofils im wesentlichen konstant bleibt, bestimmt sich daher die Differenz zwischen den Laserfrequenzen der beiden Laser-Polarisationsachsen (und damit die Schwebungsfrequenz νb) vornehmlich durch die Doppelbrechung des Faserresonanzraums.
Wenn gemäß Fig. 10 und 11 Gitter 18a und 20a einer doppelbrechenden Faser aufgeprägt werden (zum Beispiel der gleichen Faser, die für den Resonanzraum verwendet wird), ist die Frequenzdifferenz Δνbragg zwischen den Spitzenwerten der Gitter-Reflexionsvermögen, wie sie von den Polarisationsachsen gesehen werden, größer als diejenigen, die für den nlcht-doppelbrechenden Fall diskutiert wurden. Folglich ist die Differenz zwischen den Laserfrequenzen der zwei Schwingungstypen stärker (oder schwächer) ausgeprägt, was zur Folge hat, daß die Schwebungsfrequenz νb bei einer höheren Frequenz liegt. Da sich die Doppelbrechung der Gitter mit aufgebrachter Spannung ändert, ändert sich auch der Frequenzabstand zwischen den beiden Spitzenwerten. Damit sehen die beiden Laser-Polarisationsachsen nicht beide exakt die gleiche Frequenzverschiebung in dem Reflexionsvermögen. Demzufolge ändert sich die Differenz zwischen den Laserfrequenzen für die beiden Polarisationsachsen aufgrund dieses Effekts (d. h. es ändert sich die Ausgangs-Differenzfrequenz). Allerdings sollte gesehen werden, daß dieser Effekt weniger ausgeprägt ist als die anfängliche Differenz (ohne Spannung) Δνbragg zwischen den Spitzenwerten der Gitter-Reflexionsvermögen.
Darüber hinaus kann die Erfindung dadurch temperaturunempfindlich gemacht werden, daß man eine geeignete Laserwellenlänge auswählt, bei der die Empfindlichkeit der Doppelbrechung bezüglich Temperatur germg ist, zum Beispiel bei einem flachen Bereich der Empfindlichkeitskurve.
Ferner kann der Sensor derart ausgebildet werden, daß gleichzeitig Temperatur- und Spannungsmessungen vorgenommen werden können.
Eine Möglichkeit dazu besteht darin, zwei Laser in der gleichen Faserzone anzuordnen (überlappend oder hintereinander), so daß sie bei unterschiedlichen Wellenlängen Laserbetrieb aufweisen und es eine Empfindlichkeitsdifferenz der Doppelbrechung zwischen Temperatur und Spannung bei verschiedenen Wellenlängen gibt. Beispielsweise besitzt ein erster Laser, der bei λ1 schwingt, eine vorbestimmte Empfindlichkeit der Doppelbrechung bezüglich einer Spannung S1 und einer Temperatur T1, und ein zweiter Laser besitzt eine bekannte, vorbestimmte Empfindlichkeit der Doppelbrechung bezüglich einer Spannung S2 und einer Temperatur T2. Für eine gegebene Eingangs-Störung kommt es folglich zu einer Änderung der Schwebungsfrequenz bei beiden Lasem, die dazu herangezogen werden kann, die dazugehörige Spannung oder Temperatur zu berechnen, basierend auf zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten. Außerdem ist der Abstand zwischen den Laserwellenlängen nicht beschränkt durch die Bandbreite des Verstärkungsmediums, weil die Faser gemeinsam mit zwei verschiedenen Dotierstoffen dotiert werden kann, die zu einem Laserbetrieb bei verschiedenen Frequenzen führen, beispielsweise Erbium (Er³&spplus;) und Neodym (Nd³&spplus;).
Anstatt an em und demselben Ende der Faser 10 zu pumpen und zu detektieren, läßt sich das Ausgangslicht auch an dem Ende nachweisen, welches dem Ende abgewandt ist, an welchem Pumplicht eingeleitet wird.
Anstatt bei dieser alternativen Ausführungsform also den optischen Spektrumanalysator 50 (Fig. 1) zum Nachweis der optischen Wellenlängenverschiebung bei hoher Frequenz einzusetzen, die kennzeichnend ist für die aufgebrachte Spannung, kann man einfache Photodetektoren 138, 140 und 142 zusammen mit elektronischen Diskriminatoren oder elektronischen Spektrums-Analysatoren verwenden, um eine viel niedrigere "Schwebungs"-Frequenz nachzuweisen.
Falls erwünscht, läßt sich anstelle des Kopplers 29, der Linsen 102, 114, des Beugungsgitters 106 und der Faser 42 jedes Bauelement verwenden, welches für eine Wellenlängen-Demultiplexierung sorgt und außerdem die Polarisation des Lichts beibehält. Anstelle der Diskriminatoren kann man auch einen A/D-Wandler und einen Mikroprozessor dazu benutzen, die Frequenzen der Ausgangssignale aus den Leitungen 144-148 abzutasten und zu detektieren.
Obschon die oben diskutierten Störungen sich auf Temperatur und Spannung bezogen, sieht der Fachmann, daß man jede Störung nachweisen kann, die ausreicht, um eine solche Änderung der Doppelbrechung hervorzurufen. Beispielsweise kann die Faser mit einem Material überzogen sein, welches empfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern ist und auf die Faser eine mechanische Spannung aufbringt.
Gemäß Fig. 12 kann die Erfindung als chemischer Sensor ausgebildet werden, indem man eine Faser 200 mit einem elliptischen oder rechteckigen Kern 202 und einem Mantel 204 verwendet, welcher eine Flachseite 206 und ein darauf aufgebrachtes Material 208 aufweist, wobei das Material entlang der vertikalen Polarisationsachse 202 dem Kern näher liegt als entlang der horizontalen Polarisationsachse 212. Das Material 208, beispielsweise Palladium (Pd), kann ein Material sein, welches bei Absorption einer vorbestimmten Chemikahe, beispielsweise Wasserstoff (H) anschwillt, wodurch sich die Dicke des Materials ändert und damit eine polarisationsabhängige Änderung des effektiven Brechungsindex des optischen Wellenleiters bewirkt. Alternativ kann sich der Brechungsindex des Materials 208 ändern, wenn dieses einer vorbestimmten Chemikahe ausgesetzt wird. In jedem Fall besteht das Erfordernis, eine Änderung des effektiven Brechungsindex des optischen Wellenleiters entlang der einen Polarisationsrichtung hervorzurufen, nicht jedoch der anderen Polarisationsrichtung.
Aufgrund der Form des optischen Kerns 202 verläuft das Feld der vertikalen Polarisation 210 (als TM-Polarisation bezeichnet, polarisiert entlang der Nebenachse der Ellipse) in das Material 208 stärker vertikal als die horizontale Polarisation 212 (als TE-Polarisation bezeichnet, polarisiert entlang der Hauptachse der Ellipse). Wenn sich daher der Brechungsindex oder die Dicke des Materials 208 ändert, sieht der vertikale Polarisationsmodus 210 die Änderung des Brechungsindex stärker als der andere. Folglich ändert sich der effektive Brechungsindex für den einen Schwingungstyp, während der orthogonale Schwingungstyp der gleiche bleibt, was eine Änderung der Doppelbrechung hervorruft. Für das temperaturunabhängige Fühlen von Chemikalien kann man zwei Laser in dem gleichen allgemeinen Gebiet anordnen und den gleichen Temperaturschwankungen aussetzen, wobei der eine Laser das chemisch empfindliche Material 208 aufweist, der andere hingegen nicht. Anstelle eines elliptischen Kerns kann man eine Faser mit kreuzförmigem Kern oder anderen Kernformen verwenden, vorausgesetzt, die Faser ist doppelbrechend, und die verschwindende Abklinglänge (jenseits des Kerns) ist für den einen und den anderen Polarisationsmodus unterschiedlich.
Es sollte gesehen werden, daß anstelle der Verwendung von Bragg- Filtern jegliche reflektierende Elemente verwendet werden können, falls erwünscht. Ohne das schmale Reflexionsband der Bragg-Gitter jedoch (und ohne andere optische Mittel zur Moden-Diskrimination innerhalb des Resonanzraums) wurde die Auflösung des Sensors jedoch wahrscheinlich schlechter werden, weil zahlreiche Laser-Linien existierten.
Anstelle eines (linearen) Resonators für stehende Wellen kann man auf Wunsch auch einen Wanderwellen-Resonator verwenden, beispielsweise einen Ring-Laser.
Außerdem sollte gesehen werden, daß für den chemischen Sensor irgendein optischer Wellenleiter mit nicht-entarteten Polarisationsmoden möglich ist (d.h. verschiedenen Ausbreitungskonstanten für jeden Polansationsmodus, so daß die Felder sich unterschiedlich in den Mantel hineinerstrecken). Außerdem kann der Mantel selbst seine Kennwerte ändern, um eine Änderung der Doppelbrechung aufgrund einer Einwirkung einer vorbestimmten Chemikahe hervorzurufen.
Wenngleich die Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben und dargestellt wurde, versteht der Fachmann, daß die oben erläuterten sowie weitere Änderungen, Weglassungen und Hinzuffigungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Aktiver Laser-Störungsfühler, umfassend:

- einen optischen Wellenleiter (10) zum Empfangen und Transportieren von Pumplicht (30) einer vorbestimmten Wellenlänge, welches in den optischen Wellenleiter (10) eingeleitet wurde;

- mindestens einen Laser (12, 14, 16), der entlang dem Wellenleiter (10) angeordnet und von dem Pumplicht (30) gepumpt wird, wobei zumindest ein Teil des Lasers (12, 14, 16) einer Störung ausgesetzt ist;

- eine Detektoreinrichtung (138, 140, 142) zur Bereitstellung eines auf Ausgangslicht hinweisenden elektrischen Signals;

- wobei jeder von dem mindestens einen Laser (12, 14 16) ein Paar reflektierender Elemente (18, 20) an einander abgewandten Enden eines Laserresonanzraums (21) aufweist, zwischen denen sich ein Verstärkungsmedium befindet, und jedes der reflektierenden Elemente (18, 20) ein Reflexionswellenlängen-Spektrum besitzt;

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Laserresonanzraum (21) des mindestens einen Lasers (12, 14, 16) eine vorbestimmte Doppelbrechung mit einer ersten Laserfrequenz (VX1) entlang einer ersten Polarisationsachse und einer zweiten Laserfrequenz (VY1) entlang einer zweiten Polarisationsachse besitzt, und das Ausgangslicht (40) mit Frequenzen bei der ersten und der zweiten Laserfrequenz emittiert;

- eine Differenzfrequenz zwischen der ersten und der zweiten Laserfrequenz in Beziehung steht zu dem Ausmaß der Doppelbrechung, welche in Abhängigkeit der Störung variiert;

- Kombiniermittel (12, 124, 126) vorgesehen sind, um die erste und die zweite Polarisation des Ausgangslichts (40) als gemeinsam polarisiertes Ausgangslicht (132, 134, 136) auf eine gemeinsame Polarisation zu kombinieren;

- die Detektoreinrichtung (138, 140, 142) ein elektrisches Signal liefert, welches bezeichnend für das gemeinsam polarisierte Ausgangslicht ist, welches eine Frequenzkomponente enthält, die zu der Differenzfrequenz zwischen der ersten und der zweiten Laserfrequenz in Beziehung steht, wobei die Differenzfrequenz in Abhängigkeit der Störung variiert; und

- der Laser (12, 14, 16) aufweist:

- einen langgestreckten Kern (202), entlang welchem sich Licht ausbreitet;

- ein empfindliches Material (208) welches in der Nähe des Kerns (202) angeordnet ist, und dessen Brechungsindex sich ändert, wenn es einer vorbestimmten Chemikahe ausgesetzt wird, um dadurch eine Änderung der Faser-Doppelbrechung und der Differenzfrequenz zu veranlassen.

2. Aktiver Laser-Störungsfühler, umfassend:

- einen optischen Wellenleiter (10) zum Empfangen und zum Transportieren von Pumplicht (30) einer vorbestimmten Wellenlänge, welches in den optischen Wellenleiter (10) eingeleitet wird;

- mehrere Laser (12, 14, 16), die sukzessive entlang dem Wellenleiter (10) angeordnet sind und jeweils von dem Pumplicht (30) gepumpt werden, wobei mindestens ein Teil mindestens eines der Laser (12, 14, 16) einer Störung ausgesetzt ist;

- eine Detektoreinrichtung (138, 140, 142) zur Bereitstellung eines für Ausgangslicht kennzeichnenden elektrischen Signals;

- wobei jeder der Laser (10, 14, 16) ein Paar reflektierender Elemente (18, 20) auf einander abgewandten Enden eines Laserresonanzraums (21) aufweist, zwischen denen sich ein Verstärkungs medium befindet, und jedes der reflektierenden Elemente (18, 20) ein Reflexionswellenlängen-Spektrum besitzt;

dadurch gekennzeichnet, daß

- zumindest einer der Laser eine vorbestimmte Doppelbrechung mit einer ersten Laserfrequenz entlang einer ersten Polarisationsachse und einer zweiten Laserfrequenz entlang einer zweiten Polansationsachse aufweist, um das Ausgangslicht mit Frequenzen bei der ersten und der zweiten Laserfrequenz zu emittieren;

- eine Differenzfrequenz zwischen der ersten und der zweiten Laserfrequenz in Beziehung steht zu dem Maß der Doppelbrechung, die sich in Abhängigkeit der Störung ändert;

- Kombiniermittel (122, 124, 126) vorgesehen sind zum Kombinieren der ersten und der zweiten Polarisation des Ausgangslichts als gemeinsam polarisiertes Ausgangslicht (132, 134, 136) auf eine gemeinsame Polarisation;

- die Detektoreinrichtung (138, 140, 142) ein elektrisches Signal liefert, welches kennzeichnend ist flir gemeinsam polarisiertes Ausgangslicht mit einer Frequenzkomponente, die zu der Differenzfrequenz zwischen der ersten und der zweiten Laserfrequenz (VX1, VY1) in Beziehung steht, und die Differenzfrequenz in Abhängigkeit der Störung variiert;

- wobei die Laserwellenlänge jedes der Laser (12, 14, 16) einen solchen Abstand aufweist, daß sich eine Minimalüberlappung zwischen den Reflexionswellenlängen-Spektren der reflektierenden Elemente verschiedener Laser (12, 14, 16) in dem erfaßten Störungs-Größenbereich ergibt.

3. Laser-Fühler nach Anspruch 2, bei dem die reflektierenden Elemente reflektierende Gitter (18, 20) aufweisen, von denen mindestens eines in einem sehr engen Frequenzband, welches die Laserfrequenzen beinhaltet, reflektierend ist.

4. Laser-Fühler nach Anspruch 3, bei dem mindestens einer der Laser (12, 14, 16) ein schmalbandiges und ein breitbandiges Gitter aufweist.

5. Laser-Fühler nach Anspruch 3 oder 4, bei dem mindestens eines der Gitter (18, 20) Bragg-Gitter aufweist.

6. Laser-Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine Pumplichtquelle (28) zum Einleiten von Pumplicht (30) in den optischen Wellenleiter (10).

7. Laser-Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend eine Wellenlängen-Demultiplexereinrichtung (106), die auf das Ausgangslicht (40) von den mehreren Lasem (12, 14, 16) anspricht, indem sie mehrere Ausgangssignale liefert, jeweils kennzeichnend für die Laser-Wellenlänge eines entsprechenden Lasers (12, 14, 16).

8. Laser-Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Ausgangslicht (40) am gleichen Ende des Wellenleiters (12) nachgewiesen wird, an welchem das Pumplicht (30) eingeleitet wird.

9. Laser-Fühler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend ein Verstärkungsmedium zwischen der Pumplichtquelle (28) und den mehreren Lasem (12, 14, 16).

10. Laser-Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Wellenleiter eine optische Faser (10) ist.

11. Laser-Fühler nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem die Störung eine auf den Wellenleitern (10) einwirkende Spannung ist.

12. Laser-Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem mindestens einer der Laser (12, 14, 16) im Einzel-Longitudinal-Modus arbeitet.

13. Laser-Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem mindestens einer der Laser (12, 14, 16) in mehreren Longitudinal-Moden arbeitet.

14. Laser-Fühler nach Anspruch 2, bei dem der Laser-Resonanzraum aufweist;

- einen länglichen Kern (202), entlang welchem sich Licht ausbreitet; und

- ein empfindliches Material (208) in der Nähe des Kerns (202), dessen Brechungsindex sich ändert, wenn es einer vorbestimmten Chemikahe ausgesetzt wird, um dadurch eine Änderung der Faser- Doppelbrechung und der Differenzfrequenz hervorzurufen.

15. Laser-Fühler nach Anspruch 2, bei dem der Laser-Resonanzraum (21) aufweist:

- einen langgestreckten Kern (202), entlang dem sich Licht ausbreitet; und

- ein empfindliches Material (208) in der Nähe des Kerns (202), wobei das empfindliche Material eine Dicke hat, die sich ändert, wenn es einer vorbestimmten Chemikalie ausgesetzt wird, um dadurch eine Änderung der Faser-Doppeibrechung und der Differenzfrequenz zu veranlassen.

16. Laser-Fühler nach Anspruch 2, bei dem der Laser-Resonanzraum (21) aufweist:

- einen optischen Wellenleiter (10) mit nicht-entarteten Polarisationsmoden; und

- ein empfindliches Material, welches in der Nähe des Wellenleiters angeordnet liegt und einen Brechungsindex besitzt, der sich ändert, wenn er einer vorbestimmten Chemikalie ausgesetzt wird, um dadurch eine Änderung der Faser-Doppelbrechung und der Differenzfrequenz zu veranlassen.

17. Laser-Fühler nach Anspruch 2, bei dem der Laser-Resonanzraum aufweist:

- einen optischen Wellenleiter (200) mit nicht-entarteten Polarisationsmoden; und

- ein empfindliches Material (208), welches in der Nähe des Wellenleiters (200) angeordnet ist, und welches eine Dicke aufweist, die sich ändert, wenn es einer vorbestimmten Chemikahe ausgesetzt wird, um dadurch eine Änderung der Faser-Doppelbrechung und der Differenzfrequenz zu veranlassen.

18. Aktiver Mehrpunkt-Fem-Laserfühler, umfassend:

- einen optischen Wellenleiter (10) zum Empfangen und zum Ausbreiten von Pumplicht (30) einer vorbestimmten Wellenlänge, welches in den optischen Wellenleiter (10) eingeleitet wird;

- mehrere Laser (12, 14, 16), die sukzessive entlang dem Wellenleiter (10) angeordnet sind, von denen jeder von dem Pumplicht (30) gepumpt wird, wobei zumindest ein Teil des mindestens einen Lasers (12, 14, 16) eine Störung in dem optischen Wellenleiter (12) erfaßt, welche eine Laserwellenlänge (λ&sub1;, λ&sub2;, λn) aufweisen, die sich von der anderer Laser (12, 14) unterscheidet, die jeweils Ausgangslicht (32, 34, 36) bei der Laserwellenlänge emittieren, wobei die Laserwellenlänge zu dem Ausmaß der Störung in Beziehung steht;

- wobei jeder der Laser (12, 14, 16) ein Paar reflektierende Gitter (18, 20) mit einem dazwischen befindlichen Verstärkungsmedium aufweist, von denen zumindest ein Gitter (18, 25) in einem schmalen Wellenlängenband reflektierend ist, welches die Laserwellenlänge (λ&sub1;, λ&sub2;, λn) enthält, und jedes der Gitter (28, 20) ein Reflexionswellenlängen-Spektrum besitzt; und

- die Laserwellenlängen (λ&sub1;, λ&sub2;, λn) der Laser: (12, 14, 16) derart beabstandet sind, daß es eine minimale Überlappung zwischen den Reflexionswellenlängenspektren der Gitter von unterschiedlichen Lasern (12, 14, 16) in dem zu fühlenden Störungsgrößenbereich gibt.

19. Laser-Fühler nach Anspruch 18, umfassend eine Pumplichtquelle (28) zum Einleiten von Pumplicht (30) einer vorbestimmten Wellenlänge in den optischen Wellenleiter (10).

20. Laser-Fühler nach Anspruch 19, umfassend ein zusätzliches Verstärkungsmedium zwischen der Pumplichtquelle (28) und den Lasern (12, 14, 16).

21. Laser-Fühler nach Anspruch 18, umfassend eine Analysiereinrichtung (50), die auf das Ausgangslicht von den mehreren Lasem (12, 14, 16) anspricht, indem sie ein Ausgangssignal (52) liefert, welches bezeichnend ist für die Störung in dem optischen Wellenleiter (10).

22. Laser-Fühler nach Anspruch 18, bei dem jeder der Laser (12, 14, 16) ein schmalbandiges und ein breitbandiges Gitter (18, 20) aufweist.

23. Laser-Fühler nach Anspruch 18, bei dem das Ausgangslicht (32, 34, 36) am gleichen Ende des Wellenleiters (10) nachgewiesen wird, an dem das Pumplicht (30) eingeleitet wird.

24. Laser-Fühler nach Anspruch 18, umfassend ein zusätzliches Verstärkungsmedium zwischen den Lasern (12, 14, 16).

25. Laser-Fühler nach Anspruch 18, bei dem der Wellenleiter eine optische Faser (10) ist.

26. Laser-Fühler nach Anspruch 18, bei dem die Gitter Bragg-Gitter (18, 20) aufweisen.

27. Laser-Fühler nach Anspruch 18, bei dem die Störung eine auf den Wellenleiter (10) einwirkende Spannung ist.

28. Laser-Fühler nach Anspruch 18, bei dem die Störung eine Temperaturänderung in dem Wellenleiter (10) ist.

29. Laser-Fühler nach Anspruch 18, bei dem mindestens einer der Laser (12, 14,16) in einem Einzel-Longitudinal-Modus arbeitet.

30. Laser-Fühler nach Anspruch 18, bei dem mindestens einer der Laser in mehreren Longitudinal-Moden arbeitet.