WO2023057621A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen einer kryogenen temperatur sowie verwendung einer lichtleitfaser - Google Patents

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WO2023057621A1
WO2023057621A1 PCT/EP2022/077928 EP2022077928W WO2023057621A1 WO 2023057621 A1 WO2023057621 A1 WO 2023057621A1 EP 2022077928 W EP2022077928 W EP 2022077928W WO 2023057621 A1 WO2023057621 A1 WO 2023057621A1
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WO
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bragg grating
optical fiber
fiber
cryogenic temperature
temperature
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PCT/EP2022/077928
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tino ELSMANN
Ismael CHIAMENTI
Maria CHERNYSHEVA
Original Assignee
Leibniz-Institut Für Photonische Technologien E.V.
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Publication date
Application filed by Leibniz-Institut Für Photonische Technologien E.V. filed Critical Leibniz-Institut Für Photonische Technologien E.V.
Publication of WO2023057621A1 publication Critical patent/WO2023057621A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring a cryogenic temperature using an optical fiber with a fiber Bragg grating. Furthermore, the invention relates to the use of an optical fiber with a fiber Bragg grating for measuring a cryogenic temperature.
  • Temperature measurements can be made in a number of ways. For example, temperature measurements using electronic temperature sensors are widespread. However, such sensors are sensitive to magnetic fields, for example, and can in turn have a disruptive effect on electrical components in the vicinity of the measurement area.
  • Another known temperature measurement method is carried out with a fiber Bragg grating in an optical fiber.
  • light with a narrow wavelength band is radiated into the optical fiber, reflected by the fiber Bragg grating and measured.
  • the reflected light has a narrow band centered around a specific wavelength called the Bragg wavelength.
  • the Bragg wavelength depends on the temperature and if the temperature dependence is known, the temperature of the fiber Bragg grating can be deduced from the wavelength.
  • this measurement is insensitive to magnetic fields and, for its part, does not have a disruptive effect on the area surrounding the measurement area.
  • a cryogenic temperature is understood to mean a temperature below 77 K, ie below the boiling point of nitrogen. In particular, even lower temperatures, down to the boiling point of helium, ie 4 K, can be measured with the device.
  • the device comprises an optical fiber with a fiber Bragg grating.
  • At least the fiber Bragg grating consists of a cryogenic temperature-sensitive optical material. This means that the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects incident light also changes at cryogenic temperatures.
  • the entire optical fiber can consist of the cryogenically temperature-sensitive optical material, so that there are no additional boundary surfaces at which reflection can occur.
  • the fiber Bragg grating or a region of the optical fiber that includes the fiber Bragg grating can consist of the cryogenically temperature-sensitive optical material, while the rest of the optical fiber consists of a different material, for example quartz glass.
  • the optical fiber made of the cryogenic temperature-sensitive optical material is easily breakable, a more robust optical fiber is hereby obtained.
  • such an optical fiber is easier to connect to existing devices, which are often based on fused silica optical fibers.
  • the device comprises a light source, which is arranged at a first end of the optical fiber in such a way that it introduces light into the optical fiber.
  • the light emitted by the light source has a spectral component in the wavelength range at which reflection from the fiber Bragg grating occurs.
  • the light emitted by the light source has a spectral component in the entire range of wavelengths at which reflection from the fiber Bragg grating occurs over the entire temperature range of interest.
  • the device comprises a spectrometer, which is arranged in such a way that it analyzes light introduced into the optical fiber by the light source and reflected or transmitted by the fiber Bragg grating.
  • a peak appears in the spectrum at the wavelength at which reflection occurs in the fiber Bragg grating at the temperature of the fiber Bragg grating. This wavelength is determined using the spectrometer.
  • a trough in the spectrum occurs at the wavelength at which reflection occurs in the fiber Bragg grating at the temperature of the fiber Bragg grating.
  • the cryogenic temperature can thus be determined via the wavelength at which the peak or the low point occurs and the known temperature dependence of the wavelength at which reflection occurs in the fiber Bragg grating. It is therefore possible to measure a cryogenic temperature that is not influenced by external magnetic fields, which in turn does not cause any interference in the measuring area, which has a fast thermal response, which is largely insensitive to temperature changes and which can be multiplexed.
  • cryogenic temperature sensitive optical material is a
  • Fluoride glass in particular InFs, ZrF4, ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AIF3-NaF) or AIF3, or a
  • Chalcogenide glass in particular a selenide glass, in particular As2Se3 or GeSe, or a Telluride glass, very particularly Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 or TeO2.BaO.SrO.Nb2Os.
  • these materials show a dependence of the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects on the temperature used to measure the temperature using the fiber Bragg grating. grid is suitable.
  • the fiber Bragg grating was written into an optical fiber made of the cryogenic temperature sensitive optical material using a femtosecond laser and a phase mask to periodically change the refractive index of the optical fiber.
  • the energy input from the femtosecond laser changes the refractive index of the cryogenic, temperature-sensitive optical material slightly, resulting in a fiber Bragg grating.
  • the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects and also the bandwidth of the reflection can be influenced by the distance and the number of modified areas written.
  • an optical mask can also be used, for example, and other methods of generating the fiber Bragg grating are also conceivable.
  • the optical fiber is uncoated.
  • the optical fiber consists of a fiber core surrounded by a cladding, without any further coating.
  • the temperature dependency of the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects is therefore given solely by the temperature dependency of the fiber core surrounded by the cladding. In this way, a rapid thermal response can be achieved.
  • the optical fiber consists of a fiber core in the area of the fiber Bragg grating. This means that the optical fiber is not surrounded by a cladding or a coating in the area of the fiber Bragg grating. In particular, the portion of the fiber Bragg grating extends to the fiber Bragg grating itself. In other portions, the optical fiber may further include a cladding and/or coating to reduce light losses and/or increase the durability of the optical fiber . The particularly fast temperature measurement is thus also guaranteed.
  • the optical fiber consists of a fiber core, a cladding, and a polymeric coating, where the cladding surrounds the fiber core and the polymeric coating surrounds the cladding. The polymer coating serves as a shock absorber to protect the optical fiber from mechanical influences. Due to the flexibility of the polymer coating, detachment when the temperature changes is impossible.
  • the optical fiber is free, in particular in the area of the fiber Bragg grating. This means that the optical fiber is not applied to a substrate, for example, or is not inserted between two plates. This gives the optical fiber good flexibility.
  • the optical fiber in particular the area of the optical fiber that includes the fiber Bragg grating, is provided with a coating.
  • the coating includes in particular nanomaterials, metals, polymethyl methacrylate, carbon fiber reinforced plastic and/or Teflon. Nanomaterials are to be understood in particular as meaning materials which comprise nanoparticles, the nanoparticles in particular having an extent of between 3 nm and 30 nm. Aluminum, for example, can be used as the metal.
  • the optical fiber is a multi-core optical fiber whose fiber cores are made of the cryogenic temperature-sensitive optical material.
  • the common cladding of the multi-core optical fiber can include nanomaterials, metals, polymethyl methacrylate, carbon fiber-reinforced plastic and/or Teflon.
  • the light source is a laser, in particular a near-infrared laser.
  • near infrared is understood to mean light of wavelengths from 780 nm to 2.5 pm.
  • the laser has a wavelength between 1700 nm and 2100 nm.
  • light of other wavelengths can also be used.
  • the light has to be one Component in the wavelength range in which the fiber Bragg grating reflects, and meet the propagation conditions for a single-mode optical fiber.
  • the spectrometer is located at the first end of the optical fiber.
  • the spectrometer detects the light reflected from the fiber Bragg grating.
  • the spectrometer and the light source are then arranged at the same end of the optical fiber, which is realized, for example, with a beam splitter or a circulator.
  • the measurement of the peak of the reflected light provides a particularly high resolution.
  • the spectrometer is arranged at a second end of the optical fiber opposite the first end. This arrangement requires fewer components than placing the spectrometer at the first end of the optical fiber. In this case, a low point in the spectrum of the transmitted light is measured.
  • the device also includes an evaluation unit for determining the cryogenic temperature from a spectrum analyzed by the spectrometer. The position of the peak of the reflected light or the low point of the transmitted light is determined and from this, via the known temperature dependence of the wavelength of the light reflected by the fiber Bragg grating, the temperature of the fiber Bragg grating and thus of the fiber Bragg Grid surrounding area determined.
  • a cryogenic temperature is understood to mean a temperature below 77 K.
  • light is introduced into a first end of an optical fiber.
  • the optical fiber comprises a fiber Bragg grating consisting of a cryogenically temperature-sensitive optical material.
  • a spectrum of the light reflected or transmitted by the fiber Bragg grating is analyzed and the cryogenic temperature is determined using the analyzed spectrum. In this way, a cryogenic temperature is measured, with the measurement being unaffected by external magnetic fields, itself not causing any interference in the measurement area, having a rapid thermal response, being largely insensitive to temperature changes and being multiplexable.
  • a calibration of the cryogenic temperature determination from the analyzed spectrum is performed using a known thermal sensor.
  • the current temperature of the fiber Bragg grating or of the area surrounding the fiber Bragg grating is thus measured by means of the thermal sensor, for example a resistance thermal sensor.
  • the wavelength at which a peak of the reflected spectrum or a low point of the transmitted spectrum occurs is also measured. This measurement is repeated at different temperatures, so that the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects depends on the temperature. This dependency can then in turn be used to determine the temperature of the fiber Bragg grating from a wavelength at which the fiber Bragg grating reflects.
  • a cryogenic temperature is understood to mean a temperature below 77 K.
  • At least the fiber Bragg grating consists of a cryogenic temperature-sensitive optical material.
  • the cryogenic temperature is measured using a light source that introduces light into the optical fiber and a spectrometer that analyzes the light that is introduced into the optical fiber from the light source and reflected or transmitted by the fiber Bragg grating.
  • a cryogenic temperature can thus be measured with said optical fiber, the measurement being unaffected by external magnetic fields, in turn exerting no interference on the measurement area, having a rapid thermal response, being largely insensitive to temperature changes and being multiplexable.
  • the cryogenic temperature-sensitive optical material is a fluoride glass, especially InFs, ZrF4, ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AIF3-NaF) or AIF3, or a chalcogenide glass, especially a selenide glass, especially As2Se3 or GeSe, or a telluride glass , especially Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 or TeO2.BaO.SrO.Nb2Os.
  • cryogenic temperatures i.e. below 77 K, up to the boiling point of helium, these materials show a dependence on the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects, from the temperature, which is suitable for measuring the temperature by means of the fiber Bragg grating.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an embodiment of a device for measuring a cryogenic temperature
  • FIG. 2 shows a schematic view of a further exemplary embodiment of a device for measuring a cryogenic temperature
  • FIG. 3 shows a representation of the temperature dependence of a fiber Bragg grating.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device 1 for measuring a cryogenic temperature.
  • a cryogenic temperature is understood to mean a temperature below 77 K.
  • the device 1 comprises an optical fiber 2 with a fiber Bragg Grating 3.
  • At least the fiber Bragg grating 3 consists of a cryogenic temperature-sensitive optical material.
  • a cryogenic temperature-sensitive optical material is understood to mean a material in which, at cryogenic temperatures, a temperature change results in a change in the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects.
  • the cryogenic temperature-sensitive optical material is, for example, a fluoride glass, in particular I nFs, ZrF4, ZBLAN or AIF3, or a chalcogenide glass, in particular a selenide glass, in particular As2Se3 or GeSe, or a telluride glass, in particular Na2O.ZnO.TeO2, TeO2. BaO.SrO.Nb2O5.WO3 or TeO 2 .BaO.SrO.Nb2O 5 .
  • a fluoride glass in particular I nFs, ZrF4, ZBLAN or AIF3
  • a chalcogenide glass in particular a selenide glass, in particular As2Se3 or GeSe
  • a telluride glass in particular Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.
  • BaO.SrO.Nb2O5.WO3 or TeO 2 .BaO.SrO.Nb2O 5 is, for example, a
  • the device 1 comprises a light source 4 which is arranged at a first end 5 of the optical fiber 2 via a beam splitter 6 .
  • Light can be introduced into the optical fiber 2 via the light source 4 .
  • the spectrum of the light source 4 is selected in such a way that it has a proportion in the wavelength range at which the fiber Bragg grating 3 reflects.
  • the device 1 includes a spectrometer 7 which is also arranged at the first end 5 of the optical fiber 2 via the beam splitter 6 .
  • the spectrometer 7 is designed to analyze the light reflected from the fiber Bragg grating 3 . In particular, the wavelength of the peak of the reflected light is determined.
  • the device 1 includes an evaluation unit 8 which receives the wavelength of the peak of the reflected light from the spectrometer 7 . From this wavelength and the known dependence of the wavelength at which the fiber Bragg grating 3 reflects, for example determined in advance by calibration, on the temperature of the fiber Bragg grating 3, the evaluation unit 8 calculates the temperature of the fiber Bragg grating 3 and thus the temperature around the fiber Bragg grating 3 is determined.
  • the temperature of the fiber Bragg grating 3 can, for example, also be read manually from a table or a graph that contains the dependence of the wavelength at which the fiber Bragg grating 3 reflects on the temperature .
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a device 1 for measuring a cryogenic temperature.
  • the spectrometer 7 is arranged at a second end 9 of the optical fiber 2 opposite the first end 5 . With this arrangement, the beam splitter 6 can be omitted.
  • the spectrometer 7 analyzes the light transmitted by the fiber Bragg grating 3 and determines the wavelength of the low point in the spectrum which corresponds to the light reflected from the fiber Bragg grating 3 .
  • FIG. 3 shows the dependency of the shift in the wavelength AX of the light reflected from the fiber Bragg grating 3 on the temperature T.
  • the zero point of the shift was fixed at 293K.
  • the fiber Bragg grating 3 reflects at a wavelength of 1990 nm.
  • I nFs was used as the cryogenic temperature-sensitive optical material for this example.
  • the enlarged detail shows that even at a temperature close to absolute zero, a measurable shift in the wavelength at which the fiber Bragg grating 3 reflects can still be seen.
  • a device 1 as described above and a fiber Bragg grating 3 made of the cryogenic temperature-sensitive optical material I nFs it is therefore still possible to measure the temperature close to absolute zero.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Messen einer kryogenen Temperatur, wobei die kyrogene Temperatur eine Temperatur unter 77 K ist. Die Vorrichtung (1) umfasst eine Lichtleitfaser (2) mit einem Faser-Bragg-Gitter (3), wobei zumindest das Faser-Bragg-Gitter (3) aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material besteht. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung (1) eine Lichtquelle (4), die an einem ersten Ende (5) der Lichtleitfaser (2) derart angeordnet ist, dass sie Licht in die Lichtleitfaser (2) einbringt und ein Spektrometer (7), das derart angeordnet ist, dass es von der Lichtquelle (4) in die Lichtleitfaser (2) eingebrachtes und vom Faser-Bragg-Gitter (3) reflektiertes oder transmittiertes Licht analysiert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur sowie die Verwendung einer Lichtleitfaser (2) mit einem Faser-Bragg-Gitter (3) zum Messen einer kryogenen Temperatur.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur sowie Verwendung einer Lichtleitfaser
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur mit einer Lichtleitfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter. Das Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung einer Lichtleitfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter zum Messen einer kryogenen Temperatur.
Hintergrund
Temperaturmessungen können auf verschiedene Weise durchgeführt werden. So sind beispielsweise Temperaturmessungen mittels elektronischen Temperatursensoren weit verbreitet. Solche Sensoren weisen jedoch beispielsweise eine Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern auf und können sich ihrerseits störend auf elektrische Komponenten in der Umgebung des Messbereichs auswirken.
Ein weiteres bekanntes Temperaturmessverfahren wird mit einem Faser-Bragg-Gitter in einer Lichtleitfaser durchgeführt. Dabei wird Licht mit einem schmalen Wellenlängenband in die Lichtleitfaser eingestrahlt, vom Faser-Bragg-Gitter reflektiert und gemessen. Das reflektierte Licht hat ein schmales Band, das um eine bestimmte Wellenlänge, die sogenannte Bragg- Wellenlänge, zentriert ist. Die Bragg-Wellenlänge ist temperaturabhängig und bei bekannter Temperaturabhängigkeit kann von der Wellenlänge auf die Temperatur des Faser-Bragg-Gitters geschlossen werden. Diese Messung ist unter anderem unempfindlich gegenüber Magnetfeldern und wirkt sich ihrerseits nicht störend auf die Umgebung des Messbereichs aus.
Bekannte übliche Faser-Bragg-Gitter haben allerdings den Nachteil, dass eine verminderte Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge, bei der Reflexion eintritt, bei kryogenen Temperaturen, also bei Temperaturen unterhalb des Siedepunkts von Stickstoff, also unterhalb von 77 K, eine Messung von kryogenen Temperaturen unmöglich macht. Eine Verbesserung kann hier erzielt werden, indem beispielsweise das Faser-Bragg-Gitter mit einer Beschichtung versehen wird, was es auch bei kryogenen Temperaturen temperaturempfindlicher macht. Durch die Beschichtung wird jedoch die thermische Reaktion des Faser-Bragg-Gitters verlangsamt. Des Weiteren kann der unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizient des Faser-Bragg-Gitters und der Beschichtung zu einer Delaminierung der Beschichtung oder zu einem Bruch der Lichtleitfaser führen. Ferner führt eine Beschichtung dazu, dass sich der Durchmesser des Sensors deutlich erhöht, beispielsweise von etwa 125 pm auf mehrere mm.
Zusammenfassung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Messen einer Temperatur mittels eines Faser-Bragg-Gitters vorzuschlagen, die auch zum Messen einer kryogenen Temperatur, also einer Temperatur unter 77 K, geeignet ist. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur mittels eines Faser-Bragg-Gitters vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur. Unter einer kryogenen Temperatur wird dabei eine Temperatur unter 77 K, also unter der Siedepunkt von Stickstoff, verstanden. Insbesondere lassen sich mit der Vorrichtung auch noch tiefere Temperaturen, bis hin zum Siedepunkt von Helium, also 4 K, messen.
Die Vorrichtung umfasst dabei eine Lichtleitfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter. Dabei besteht zumindest das Faser-Bragg-Gitter aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material. Das heißt, die Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter eingestrahltes Licht reflektiert, ändert sich auch bei kryogenen Temperaturen.
Dabei kann die gesamte Lichtleitfaser aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehen, so dass keine zusätzlichen Grenzflächen vorhanden sind, an denen Reflexion auftreten kann. Es kann aber auch lediglich das Faser-Bragg-Gitter oder ein Bereich der Lichtleitfaser, der das Faser-Bragg-Gitter umfasst, aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehen, während der Rest der Lichtleitfaser aus einem anderen Material, beispielsweise Quarzglas, besteht. Für den Fall, dass die Lichtleitfaser aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material leicht zerbrechlich ist, wird hierdurch eine unempfindlichere Lichtleitfaser erhalten. Des Weiteren lässt sich eine solche Lichtleitfaser leichter mit bestehenden Geräten, die oft auf Lichtleitfasern aus Quarzglas basieren, verbinden.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Lichtquelle, die an einem ersten Ende der Lichtleitfaser derart angeordnet ist, dass sie Licht in die Lichtleitfaser einbringt. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht hat dabei einen spektralen Anteil im Bereich der Wellenlänge, bei der die Reflexion vom Faser-Bragg-Gitter auftritt. Vorzugsweise hat das von der Lichtquelle ausgesandte Licht einen spektralen Anteil im gesamten Bereich der Wellenlängen, bei denen die Reflexion vom Faser-Bragg-Gitter auftritt über den gesamten Temperaturbereich, der von Interesse ist.
Ferner umfasst die Vorrichtung ein Spektrometer, das derart angeordnet ist, dass es von der Lichtquelle in die Lichtleitfaser eingebrachtes und vom Faser-Bragg-Gitter reflektiertes oder transmittiertes Licht analysiert. Im Fall der Analyse des reflektierten Lichts tritt ein Peak im Spektrum bei der Wellenlänge, bei der beim Faser-Bragg-Gitter bei der Temperatur des Faser- Bragg-Gitters Reflexion auftritt, auf. Diese Wellenlänge wird dabei mittels des Spektrometers bestimmt. Im Fall der Analyse des transmittierten Lichts tritt ein Tiefpunkt im Spektrum bei der Wellenlänge, bei der beim Faser-Bragg-Gitter bei der Temperatur des Faser-Bragg-Gitters Reflexion auftritt, auf.
Über die Wellenlänge, bei der der Peak bzw. der Tiefpunkt auftreten, und der bekannten Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge, bei der beim Faser-Bragg-Gitter Reflexion auftritt, kann somit die kryogene Temperatur bestimmt werden. Es ist also eine Messung einer kryogenen Temperatur möglich, die nicht von äußeren Magnetfeldern beeinflusst wird, die ihrerseits keine Störungen auf den Messbereich ausübt, die eine schnelle thermische Reaktion hat, die weitgehend unempfindlich auf Temperaturänderungen ist und die multiplexierbar ist.
In einigen Ausführungsformen ist das kryogen temperaturempfindliche optische Material ein
Fluoridglas, insbesondere InFs, ZrF4, ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AIF3-NaF) oder AIF3, oder ein
Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Tel luridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2.BaO.SrO.Nb2Os. Diese Materialien weisen auch bei kryogenen Temperaturen, also unter 77 K, bis hin zum Siedepunkt von Helium eine Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser- Bragg-Gitter reflektiert, von der Temperatur auf, die zur Messung der Temperatur mittels des Faser-Bragg-Gitters geeignet ist.
In einigen Ausführungsformen wurde das Faser-Bragg-Gitter mittels eines Femtosekundenlasers und einer Phasenmaske in eine Lichtleitfaser aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material eingeschrieben, um den Brechungsindex der Lichtleitfaser periodisch zu ändern. Durch den Energieeintrag des Femtosekundenlasers verändert sich dabei der Brechungsindex des kryogen temperaturempfindlichen optischen Materials geringfügig, so dass ein Faser-Bragg-Gitter entsteht. Die Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, und auch die Bandbreite der Reflexion können dabei über den Abstand und die Anzahl der eingeschriebenen modifizierten Bereiche beeinflusst werden. Anstelle einer Phasenmaske kann beispielsweise auch eine optische Maske verwendet werden und auch weitere Methoden der Erzeugung des Faser-Bragg-Gitters sind denkbar.
In einigen Ausführungsformen ist die Lichtleitfaser unbeschichtet. Insbesondere besteht die Lichtleitfaser aus einem von einem Mantel umgebenenen Faserkern, ohne weitere Beschichtung. Die Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, ist also allein durch die Temperaturabhängigkeit des vom Mantel umgebenen Faserkern gegeben. So kann eine schnelle thermische Reaktion erreicht werden.
In einigen Ausführungsformen besteht die Lichtleitfaser im Bereich des Faser-Bragg-Gitters aus einem Faserkern. Das heißt, die Lichtleitfaser ist im Bereich des Faser-Bragg-Gitters weder von einem Mantel noch von einer Beschichtung umgeben. Insbesondere erstreckt sich der Bereich des Faser-Bragg-Gitters auf das Faser-Bragg-Gitter selbst. In anderen Bereichen kann die Lichtleitfaser ferner einen Mantel und/oder eine Beschichtung umfassen, so dass Lichtverluste verringert werden und/oder die Widerstandsfähigkeit der Lichtleitfaser erhöht wird. Die besonders schnelle Temperaturmessung ist damit ebenfalls gewährleistet. In einigen Ausführungsformen besteht die Lichtleitfaser aus einem Faserkern, einem Mantel und einer Polymerbeschichtung, wobei der Mantel den Faserkern umgibt und die Polymerbeschichtung den Mantel umgibt. Dabei dient die Polymerbeschichtung als Stoßdämpfer, um die Lichtleitfaser vor mechanischen Einwirkungen zu schützen. Durch die Flexibilität der Polymerbeschichtung ist ein Ablösen bei Temperaturänderungen ausgeschlossen.
In einigen Ausführungsformen ist die Lichtleitfaser, insbesondere im Bereich des Faser-Bragg- Gitters, frei. Das heißt, die Lichtleitfaser ist beispielsweise nicht auf einem Substrat aufgebracht oder nicht zwischen zwei Platten eingebracht. So ist eine gute Flexibilität der Lichtleitfaser gegeben.
In einigen Ausführungsformen ist die Lichtleitfaser, insbesondere der Bereich der Lichtleitfaser, der das Faser-Bragg-Gitter umfasst, mit einer Beschichtung versehen. Dabei umfasst die Beschichtung insbesondere Nanomaterialien, Metalle, Polymethlymethacrylat, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff und/oder Teflon. Unter Nanomaterialien werden insbesondere Materialien verstanden, die Nanoteilchen umfassen, wobei die Nanoteilchen ganz insbesondere eine Ausdehnung zwischen 3 nm und 30 nm haben. Als Metall kann beispielsweise Aluminium verwendet werden. Durch das Versehen der Lichtleitfaser mit einer Beschichtung wird die Temperaturabhängigkeit des Faser-Bragg-Gitters verstärkt, so dass noch genauere Messungen der kryogenen Temperatur möglich sind.
In einigen Ausführungsformen ist die Lichtleitfaser eine Multikern-Lichtleitfaser, deren Faserkerne aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehen. Zur Steigerung der Temperaturabhängigkeit des Faser-Bragg-Gitters kann der gemeinsame Mantel der Multikern-Lichtleitfaser Nanomaterialien, Metalle, Polymethlymethacrylat, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff und/oder Teflon umfassen.
In einigen Ausführungsformen ist die Lichtquelle ein Laser, insbesondere ein Nah-Infrarot-Laser. Unter nahem Infrarot wird dabei Licht der Wellenlängen von 780 nm bis 2,5 pm verstanden.
Ganz insbesondere hat der Laser dabei eine Wellenlänge zwischen 1700 nm und 2100 nm. Es kann jedoch auch Licht anderer Wellenlängen verwendet werden. Dabei muss das Licht eine Komponente in dem Wellenlängenbereich, in dem das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, haben und die Ausbreitungsbedingungen für eine Einmoden-Lichtleitfaser erfüllen.
In einigen Ausführungsformen ist das Spektrometer am ersten Ende der Lichtleitfaser angeordnet. Das Spektrometer erfasst dann das vom Faser-Bragg-Gitter reflektierte Licht. Das Spektrometer und die Lichtquelle sind dann an dem selben Ende der Lichtleitfaser angeordnet, was beispielsweise mit einem Strahlteiler oder einem Zirkulator verwirklicht ist. Die Messung des Peaks des reflektierten Lichts bringt dabei eine besonders hohe Auflösung. Alternativ dazu ist das Spektrometer an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende der Lichtleitfaser angeordnet. Diese Anordnung benötigt weniger Komponenten als die Anordnung des Spektrometers am ersten Ende der Lichtleitfaser. In diesem Fall wird ein Tiefpunkt im Spektrum des transmittierten Lichts gemessen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ferner eine Auswertungseinheit zum Bestimmen der kryogenen Temperatur aus einem vom Spektrometer analysierten Spektrum. Dabei wird die Lage des Peaks des reflektierten Lichts bzw. des Tiefpunkts des transmittierten Lichts bestimmt und daraus über die bekannte Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge des vom Faser-Bragg-Gitter reflektierten Lichts die Temperatur des Faser-Bragg-Gitters und damit des das Faser-Bragg-Gitter umgebenden Bereichs bestimmt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur. Unter einer kryogenen Temperatur wird dabei eine Temperatur unter 77 K verstanden. Dabei wird Licht in ein erstes Ende einer Lichtleitfaser eingebracht. Die Lichtleitfaser umfasst dabei ein aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehendes Faser-Bragg-Gitter. Ferner wird ein Spektrum des von dem Faser-Bragg- Gitter reflektierten oder transmittierten Lichts analysiert und mittels des analysierten Spektrums die kryogene Temperatur bestimmt. So wird eine kryogene Temperatur gemessen, wobei die Messung nicht von äußeren Magnetfeldern beeinflusst wird, ihrerseits keine Störungen auf den Messbereich ausübt, eine schnelle thermische Reaktion hat, weitgehend unempfindlich auf Temperaturänderungen ist und multiplexierbar ist. In einigen Ausführungsformen wird eine Kalibrierung der Bestimmung der kryogenen Temperatur aus dem analysierten Spektrum mittels eines bekannten Thermosensors durchgeführt. Mittels des Thermosensors, beispielsweise eines Widerstands-Thermosensors, wird also die aktuelle Temperatur des Faser-Bragg-Gitters bzw. des das Faser-Bragg-Gitter umgebenden Bereichs gemessen. Ebenfalls wird die Wellenlänge, bei der ein Peak des reflektierten bzw. ein Tiefpunkt des transmittierten Spektrums auftritt, gemessen. Diese Messung wird bei verschiedenen Temperaturen wiederholt, so dass sich eine Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, von der Temperatur ergibt. Mittels dieser Abhängigkeit kann dann wiederum aus einer Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, die Temperatur des Faser-Bragg-Gitters bestimmt werden.
Weitere Vorteile des Verfahrens ergeben sich analog zu den oben angeführten Vorteilen der Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur.
Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung einer Lichtleitfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter zum Messen einer kryogenen Temperatur. Dabei wird unter einer kryogenen Temperatur eine Temperatur unter 77 K verstanden. Zumindest das Faser-Bragg- Gitter besteht aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material. Das Messen der kryogenen Temperatur erfolgt mittels einer Lichtquelle, die Licht in die Lichtleitfaser einbringt und eines Spektrometers, das das von der Lichtquelle in die Lichtleitfaser eingebrachte und vom Faser-Bragg-Gitter reflektierte oder transmittierte Licht analysiert. So kann mit der besagten Lichtleitfaser eine kryogene Temperatur gemessen werden, wobei die Messung nicht von äußeren Magnetfeldern beeinflusst wird, ihrerseits keine Störungen auf den Messbereich ausübt, eine schnelle thermische Reaktion hat, weitgehend unempfindlich auf Temperaturänderungen ist und multiplexierbar ist.
In einigen Ausführungsformen ist das kryogen temperaturempfindliche optische Material ein Fluoridglas, insbesondere InFs, ZrF4, ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AIF3-NaF) oder AIF3, oder ein Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Tel luridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2.BaO.SrO.Nb2Os. Diese Materialien weisen auch bei kryogenen Temperaturen, also unter 77 K, bis hin zum Siedepunkt von Helium eine Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser- Bragg-Gitter reflektiert, von der Temperatur auf, die zur Messung der Temperatur mittels des Faser-Bragg-Gitters geeignet ist.
Weitere Vorteile der Verwendung der Lichtleitfaser zum Messen einer kryogenen Temperatur ergeben sich analog zu den oben angeführten Vorteilen der Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur.
Es versteht sich, dass eine bevorzugte Ausführungsform auch aus einer Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem jeweiligen unabhängigen Anspruch erzielt werden kann.
Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur; und
Fig. 3 eine Darstellung der Temperaturabhängigkeit eines Faser-Bragg-Gitters.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
In den Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen entweder gleiche Elemente oder Elemente mit gleichwertigen Funktionen. Elemente, die schon beschrieben wurden, werden nicht notwendigerweise in nachfolgenden Figuren noch einmal beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Messen einer kryogenen Temperatur. Unter kryogener Temperatur wird dabei eine Temperatur unter 77 K verstanden. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtleitfaser 2 mit einem Faser-Bragg- Gitter 3. Dabei besteht zumindest das Faser-Bragg-Gitter 3 aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material. Unter einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material versteht man dabei ein Material, bei dem bei kryogenen Temperaturen eine Temperaturänderung eine Änderung der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, zur Folge hat. Das kryogen temperaturempfindliche optische Material ist dabei beispielsweise ein Fluoridglas, insbesondere I nFs, ZrF4, ZBLAN oder AIF3, oder ein Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Tel luridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.
Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Lichtquelle 4, die an einem ersten Ende 5 der Lichtleitfaser 2 über einen Strahlteiler 6 angeordnet ist. Über die Lichtquelle 4 kann Licht in die Lichtleitfaser 2 eingebracht werden. Das Spektrum der Lichtquelle 4 ist dabei derart gewählt, dass es einen Anteil im Bereich der Wellenlänge hat, bei der das Faser-Bragg-Gitter 3 reflektiert.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 ein Spektrometer 7, das ebenfalls am ersten Ende 5 der Lichtleitfaser 2 über den Strahlteiler 6 angeordnet ist. Das Spektrometer 7 ist dabei zum Analysieren des vom Faser-Bragg-Gitter 3 reflektierten Lichts ausgebildet. Insbesondere wird dabei die Wellenlänge des Peaks des reflektierten Lichts bestimmt.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 1 eine Auswertungseinheit 8, die die Wellenlänge des Peaks des reflektierten Lichts vom Spektrometer 7 empfängt. Aus dieser Wellenlänge und der bekannten - beispielsweise im Vorfeld durch eine Kalibrierung bestimmten - Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter 3 reflektiert, von der Temperatur des Faser-Bragg- Gitters 3 wird von der Auswertungseinheit 8 die Temperatur des Faser-Bragg-Gitters 3 und damit die Temperatur der Umgebung des Faser-Bragg-Gitters 3 bestimmt.
Alternativ zur Verwendung einer Auswertungseinheit 8 kann die Temperatur des Faser-Bragg- Gitters 3 beispielsweise auch manuell aus einer Tabelle oder einem Graphen, die die Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter 3 reflektiert, von der Temperatur beinhalten, abgelesen werden. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Messen einer kryogenen Temperatur. Dabei ist das Spektrometer 7 an einem dem ersten Ende 5 gegenüberliegenden zweiten Ende 9 der Lichtleitfaser 2 angeordnet. Durch diese Anordnung kann der Strahlteiler 6 entfallen. Das Spektrometer 7 analysiert dann das vom Faser-Bragg-Gitter 3 transmittierte Licht und bestimmt die Wellenlänge des Tiefpunkts im Spektrum, das dem vom Faser-Bragg-Gitter 3 reflektierten Licht entspricht.
Schließlich zeigt Figur 3 die Abhängigkeit der Verschiebung der Wellenlänge AX des vom Faser- Bragg-Gitter 3 reflektierten Lichts von der Temperatur T. Der Nullpunkt der Verschiebung wurde dabei auf 293 K festgelegt. Bei dieser Temperatur reflektiert das Faser-Bragg-Gitter 3 bei einer Wellenlänge von 1990 nm. Des Weiteren wurde für dieses Beispiel als kryogen temperaturempfindliches optisches Material I nFs verwendet. Im vergrößerten Ausschnitt ist zu erkennen, dass selbst bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt noch eine messbare Verschiebung der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter 3 reflektiert, erkennbar ist. Eine Messung der Temperatur ist mit einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung 1 und einem Faser- Bragg-Gitter 3 aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material I nFs also noch bis nahe an den absoluten Nullpunkt möglich.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur, wobei die kyrogene Temperatur eine Temperatur unter 77 K ist, umfassend eine Lichtleitfaser (2) mit einem Faser-Bragg-Gitter (3), wobei zumindest das Faser- Bragg-Gitter (3) aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material besteht; eine Lichtquelle (4), die an einem ersten Ende (5) der Lichtleitfaser (2) derart angeordnet ist, dass sie Licht in die Lichtleitfaser (2) einbringt; und ein Spektrometer (7), das derart angeordnet ist, dass es von der Lichtquelle (4) in die Lichtleitfaser (2) eingebrachtes und vom Faser-Bragg-Gitter (3) reflektiertes oder transmittiertes Licht analysiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das kryogen temperaturempfindliche optische Material ein Fluoridglas, insbesondere InFs, ZrF4, ZBLAN oder AIF3, oder ein Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Telluridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2.BaO.SrO.Nb2Os, ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Faser-Bragg-Gitter (3) mittels eines Femtosekundenlasers und einer Phasenmaske in die Lichtleitfaser (2) aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material eingeschrieben wurde, um den Brechungsindex der Lichtleitfaser (2) periodisch zu ändern.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtleitfaser (2) unbeschichtet ist und insbesondere aus einem von einem Mantel umgebenen Faserkern besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lichtleitfaser (2) im Bereich des Faser-Bragg-Gitters (3) aus einem Faserkern besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lichtleitfaser (2), insbesondere im Bereich des Faser-Bragg-Gitters (3), frei ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, wobei die Lichtleitfaser (2) mit einer Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung insbesondere Nanomaterialien, Metalle, Polymethlymethacrylat, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff und/oder Teflon umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 oder 7, wobei die Lichtleitfaser (2) eine Multikern-Lichtleitfaser ist, deren Faserkerne aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Lichtquelle (4) ein Laser, insbesondere ein Nah-Infrarot-Laser, ganz insbesondere mit einer Wellenlänge zwischen 1700 nm und 2100 nm, ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Spektrometer (7) am ersten Ende (5) der Lichtleitfaser (2) oder an einem der ersten Ende (5) gegenüberliegenden zweiten Ende (9) der Lichtleitfaser (2) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend eine Auswertungseinheit (8) zum Bestimmen der kryogenen Temperatur aus einem vom Spektrometer (7) analysierten Spektrum.
12. Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur, wobei die kryogene Temperatur eine Temperatur unter 77 K ist, und wobei
Licht in ein erstes Ende (5) einer Lichtleitfaser (2) mit einem aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehenden Faser-Bragg-Gitter (3) eingebracht wird; ein Spektrum des von dem Faser-Bragg-Gitter (3) reflektierten oder transmittierten
Lichts analysiert wird; und mittels des analysierten Spektrums die kryogene Temperatur bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Kalibrierung der Bestimmung der kryogenen Temperatur aus dem analysierten Spektrum mittels eines bekannten Thermosensors durchgeführt wird.
14. Verwendung einer Lichtleitfaser (2) mit einem Faser-Bragg-Gitter (3), wobei zumindest das
Faser-Bragg-Gitter (3) aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material besteht, zum Messen einer kryogenen Temperatur mittels einer Lichtquelle (4), die Licht in die Lichtleitfaser (2) einbringt und eines Spektrometers (7), das das von der Lichtquelle (4) in die Lichtleitfaser (2) eingebrachte und vom Faser-Bragg-Gitter (3) reflektierte oder transmittierte Licht analysiert, wobei die kryogene Temperatur eine Temperatur unter 77 K ist.
15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei das kryogen temperaturempfindliche optische Material ein Fluoridglas, insbesondere InFs, ZrF4, ZBLAN oder AIF3, oder ein Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Telluridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2.BaO.SrO.Nb2Os, ist.
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