DE4034237C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Temperaturänderungen unter Verwendung von Einfrequenz-Laserstrahlung, die von einem ersten Laser emittiert wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

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

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

Aus der DE-OS 38 20 170 ist ein Meßgeber zur Messung physikalischer Größen bekannt, der mit einer Lichtquelle ausgestattet ist, deren Licht in einem Interferometer, dessen optische Weglänge mit der zu messenden Größe korreliert ist, interferiert, sowie mit einer Lichtempfangseinrichtung, deren Ausgangssignal an einer Auswerteeinheit angelegt ist, die aus dem Interferogramm die zu messende Größe bestimmt. Dabei variiert die Frequenz der Lichtquelle oder die Frequenz des Lichts, das die Lichtempfangseinrichtung registriert kontinuierlich in einem bestimmten Frequenzbereich, wobei die Lichtempfangseinrichtung die Intensität des Lichts in Zuordnung zur Frequenz mißt und die Auswerteeinheit aus der Abhängigkeit des Ausgangssignals der Lichtempfangseinrichtung von der Frequenz des registrierten Lichts die zu messende Größe bestimmt. Dadurch läßt sich ein Zusammenhang zwischen der gemessenen interferometrischen Größe und der zu messenden physikalischen Größe, z. B. einem Weg, einem Winkel oder einer Temperatur, erzielen. Dabei werden entweder polarisatonsoptische Interferometer oder aber Michelson-Interferometer verwendet. Eine Messung von Temperaturänderungen im Bereich von wenigen mK in einem Dynamikbereich von mehr als 10⁸ ist jedoch mit diesem Meßgeber nicht möglich.

Aus dem DE-U 89 10 521 sind interferometrische Sensorsysteme bekannt, wobei das Sensorelement selbst eine zu messende Größe, wie z. B. eine Temperatur, in ein elektrisch erfaßbares Signal umwandelt. Das hierzu verwendete Interferometer erzeugt ein Interferogramm, wobei die optischen Eigenschaften Absorption und Brechung eines Sensormediums zur Bestimmung der Meßgröße dienen, unter Einsatz einer Laserstrahlung. Das Interferometer selbst, das als Zweiplatten-Interferometer ausgeführt ist, befindet sich in einem einseitig mit einem Fenster verschlossenen

Gehäuse, das mit einem fluiden Sensormedium gefüllt ist, wobei über Bohrungen im Abstandshalter ein Druckausgleich erforderlich ist. Bei Beleuchtung mit Laserlicht einer vorgegebenen Wellenlänge wird das reflektierte Interferenzmuster, d. h. das Interferogramm, nach Durchlaufen einer Photodiode einem Computer zugeführt, der das analoge elektrische Signal aufbereitet. Allein aufgrund der großen Abmessungen eines derartigen Zweiplatten-Interferometers ist eine Messung von Temperaturänderungen an räumlich eng begrenzten Stellen ausgeschlossen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen von Temperaturänderungen unter Verwendung von Einfrequenz-Laserstrahlung zu schaffen, sowie von einem ersten Laser emittiert wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

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

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

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch einen monolithischen Festkörperlaser und

Fig. 2 schematisch eine Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung.

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

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

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

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

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

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

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

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

Claims (6)

1. Verfahren zum Messen von Temperaturänderungen unter Verwendung von Einfrequenz-Laserstrahlung, die von einem ersten Laser emittiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Laser an der zu messenden Stelle, deren Umgebungstemperatur er annimmt, angeordnet wird, daß die von ihm emittierte, von der Temperatur des Lasermediums abhängige einfrequente Strahlung mit einer zweiten, von einem als Referenz dienenden Laser emittierten frequenzstabilisierten Strahlung überlagert wird, und daß die dabei durch Interferenz auftretenden Summen - und Differenzfrequenzen als optische und/oder elektrische Meßgrößen für die sie verursachenden Temperaturänderungen in herkömmlicher Weise weiter verarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laserstrahlungen einer Photodiode zugeführt und von ihr detektiert werden und daß die dabei gebildeten Summen - und Differenzfrequenzen von einem Hochfrequenzanalysator verarbeitet und angezeigt werden.

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

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

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

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