STAND DER TECHNIK Bei der Erdölförderung müssen Bohrlöcher hinsichtlich Druck und Temperatur überwacht werden. Im Bohrloch können die Flüssigkeitsdrücke bis zu 100 MPa (1000 bar) und die Temperaturen bis zu über 200 °C betragen. Zur Druckmes- sung bis zu ca. 170 °C werden häufig elektrische Sensoren eingesetzt, wie z. B.

Piezowiderstände, piezoelektrische Elemente, kapazitive Sonden oder Kristall- resonatoren. Bekannt ist auch die Verwendung optischer Drucksensoren, die sich durch gute Hochtemperaturtauglichkeit, Korrosionsbeständigkeit und elek- tromagnetische Störunempfindlichkeit auszeichnen. Beispiele hierfür sind me- chanische Resonatoren, die optisch aktiviert und optisch ausgelesen werden, elastooptische Sensoren, optische Sensoren mit druckempfindlicher Membran oder Fabry-Perot Resonatoren.

Polarimetrische Faser-Laser Sensoren sind z. B. aus dem Artikel von H. K. Kim et al.,"Polarimetric fiber laser sensors", Optics Letters 18 (4), S. 317-319 (1993) bekannt. In einer Nd-dotierten Faser mit rundem Kern und dichroitisch ver- spiegelten, für Pumplicht transparenten Enden werden ein oder mehrere longi- tudinale Moden zum Lasen gebracht. Durch unidirektionalen seitlichen Druck wird in der Faser Doppelbrechung erzeugt und eine Frequenzverschiebung zwi- schen den orthogonalen Eigenpolarisationen der longitudinalen Moden indu- ziert. Im ausgekoppelten Strahl werden die Eigenpolarisationen von einem line- aren Analysator zur Interferenz gebracht und das resultierende Schwebungs- signal mit einer Photodiode detektiert. Die Schwebungsfrequenz kann sehr ein- fach mit einem Frequenzzähler gemessen werden. Sie stellt ein hochpräzises Mass für den unidirektionalen Druck auf den Faser-Laser dar. Hydrostatische Drücke können jedoch in dieser Anordnung nicht gemessen werden.

In dem Artikel von G. A. Ball et al.,"Polarimetric heterodyning Bragg-grating fiber-laser sensor", Optics Letters 18 (22), S. 1976-1978, wird ein ähnlich auf- gebauter Dehungssensor vorgestellt. Anstelle der beiden Spiegel werden zur Begrenzung der Laserkavität zwei direkt in den Faserkern geschriebene Bragg- Gitter verwendet. Wegen der geringen Kavitätslänge von 2,5 cm und der schwa- chen Elliptizität des Faserkerns sind genau zwei orthogonal polarisierte Longi- tudinalmoden mit einer relativ niedrigen, gut messbaren Schwebungsfrequenz anregbar. Mit einem solchen Faser-Laser Sensor ist jede veränderliche Grosse messbar, welche eine Variation der Länge oder Doppelbrechung der Laserkavi- tät bewirkt. Absolutmessungen z. B. eines Drucks sind aber schwierig oder un- möglich, da Temperaturschwankungen, Änderungen optischer Parameter durch Materialermüdung u. ä. den Arbeitspunkt, d. h. die Schwebungsfrequenz im unbelasteten Zustand, willkürlich verschieben können.

In der Veröffentlichung von J. P. Dakin et al.,"Compensated polarimetric sensor using polarisation-maintaining fibre in a differential configuration", Electronic Letters 20 (1), S. 51-53 (1983) wird ein passiver faseroptischer Sensor gezeigt, der aus zwei identischen, um 90° verdrehten und zusammengespleissten Teil- stücken einer polarisationserhaltenden Faser besteht. Ein Teilstück wird der Messgrösse, z. B. Temperatur, Dehnung oder akustischen Wellen, und beide Teilstücke der isotropen Störgrösse, z. B. allseitigem Druck oder Temperatur, ausgesetzt. Diese differentielle Anordnung ist auch besonders gut mit niederko- härenten Halbleiterlasern kompatibel, weil das durch Phasenrauschen der Lichtquelle verursachte Intensitätsrauschen weitgehend kompensiert ist. Die Detektion des interferometrischen, periodischen Signals ist allerdings wesent- lich aufwendiger als die Detektion frequenzkodierter Signale von aktiven Faser- laser Sensoren.

Serielles Multiplexen passiver Faser-Bragg-Gitter Sensoren ist z. B. aus dem U. S. Pat. No. 4,761,073 bekannt. Entlang einer Sensorfaser sind mehrere Bragg-Gitter mit unterschiedlichen Reflexionswellenlängen eingeschrieben.

Durch Messung der Verschiebungen der Reflexionswellenlängen sind die Deh- nungen an den Orten der Bragg-Gitter bestimmbar. Thermisch induzierte Git- terdehnungen können mit Hilfe superponierter Gitter unterschiedlicher Reflex- ionswellenlängen eliminiert werden. Bekanntermassen ist die Ortsbestimmung statt durch wellenlängenselektive auch durch zeitaufgelöste Messungen mit ei- ner gepulsten Lichtquelle möglich. Bei der Dehnungsmessung mit Bragg-Git- tern ist der Messbereich aufgrund der Faserbruchgefahr eingeschränkt. Dar- überhinaus sind Bragg-Gitter zur Messung hydrostatischer oder isotroper Drücke weitgehend ungeeignet bzw. extrem unempfindlich.

In dem Artikel"Perturbation Effects on Mode Propagation in Highly Elliptical Core Two-Mode Fibers"von S.-Y. Huang et al. wird aufgezeigt, dass in einer polarisationserhaltenden Zweimodenfaser durch homogenen, allseitigen oder radialen Druck, aber auch durch axiale Dehnung, Verdrillung und Temperatur, eine Phasenverschiebung sowohl zwischen den Polarisationsmoden als auch zwischen den räumlichen Moden erzeugbar ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Faserlaser-Sensor anzugeben, welcher zur frequenzkodierten Messung von isotropen Drücken, Dehnungen oder Temperaturen geeignet ist und sich durch einen grossen Messbereich, einen ein- fachen Aufbau und einfache Multiplexierbarkeit auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 12 gelöst.

Kern der Erfindung ist es nämlich, in der Laserkavität eines Faserlasers neben einer als Lasermedium wirkenden dotierten Faser eine Sensorfaser mit einer nicht rotationssymmetrischen Struktur anzuordnen, in welcher durch allseiti- gen Druck eine Doppelbrechung und eine druckproportionale Schwebungsfre- quenz zwischen unterschiedlichen Polarisationsmoden oder räumlichen Moden induzierbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel zeigt den optischen Aufbau eines Faserlaser-Druck- sensors mit einer temperaturkompensierten Sensorfaser, die aus zwei um 90° zueinander verdrehten Fasersegmenten besteht. Im differentiellen Betrieb wer- den beide Segmente der Störgrösse, z. B. der Temperatur, und nur ein Segment der Messgrösse, z. B. dem Druck, ausgesetzt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel stellt eine serielle Anordnung mehrerer Fa- serlaser-Drucksensoren mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen dar, die über eine gemeiname Pumplichtquelle gespiesen werden und deren druckpro- portionale Schwebungsfrequenzen wellenlängenselektiv detektiert werden.

Andere Ausführungsbeispiele betreffen Druckgehäuse für Faserlaser, bei denen die laserverstärkende Faser und ein Sensorfasersegment in einer Kapillare oder Kammer unter Niederdruckgas oder Vakuum stehen und ein Sensorfaserseg- ment mit dem zu messenden Medium in Druckkontakt steht.

Zusätzliche Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination erfindungs- wesentlicher Merkmale und aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemässen Faserlaser-Drucksensors besteht darin, dass mit dem frequenzkodierten Drucksignal eine hohe Messgenauigkeit, ein grosser Druckmessbereich bis zu 100 MPa und eine gute Eichbarkeit auf Ab- solutdrücke erzielbar sind.

Ein wesentlicher Vorteil des Faserlaser-Drucksensors besteht auch darin, dass die Parameter der Verstärker-und Sensorfaser unabhängig voneinander opti- mierbar sind. Insbesondere sind kommerziell erhältliche, Erbium-dotierte Ver- stärkerfasern und Zweimoden-Sensorfasern mit elliptischem Kern verwendbar.

Ein weiterer Vorteil des Faserlaser-Drucksensors besteht darin, dass die Tem- peraturempfindlichkeit durch den differentiellen Aufbau der Sensorfaser weit- gehend zurückgedrängt ist, zusätzlich aus der Bragg-Wellenlänge die Tempe- ratur bestimmbar ist und dadurch die Zuverlässigkeit (quasi) statischer Druck- messungen deutlich verbessert ist.

Sehr vorteilhaft ist schliesslich auch der kompakte und robuste Aufbau, durch den der Faserlaser-Drucksensor hervorragend für den Einsatz unter hohen Drücken und Temperaturen und insbesondere zur Druckmessung in Erdölbohr- löchern geeignet ist KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 a) einen optischen Aufbau eines Faserlaser-Drucksensors mit tempe- raturkompensierter polarimetrischer Sensorfaser und aktiver Polari- sationskontrolle ; b) Beispiele für nicht rotationssymmetrische Sensor- fasern ; Fig. 2 a), b) Frequenzverschiebung von Longitudinalmoden durch druck- oder temperaturinduzierte Doppelbrechung in der Sensorfaser ; c) Longitudinalmoden eines Faserlasers und Reflexionsspektren von Faser-Bragg-Gitter Endreflektoren ; Fig. 3 eine Detektionseinheit für einen Faserlaser-Drucksensor gemäss Fig. 1 ohne Polarisationskontrolle ; Fig. 4 einen optischen Aufbau eines Faserlaser-Drucksensors mit tempera- turkompensierter Zweimoden-Sensorfaser und Faserpolarisator ; Fig. 5 eine Multiplex-Anordnung von Faserlaser-Drucksensoren mit un- terschiedlichen Emissionswellenlängen (y,...,,) ; Fig. 6-8 verschiedene Druckgehäuse für einen Faserlaser mit langgestrecker Sensorfaser ; In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Fig. la zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Faserlaser-Drucksensors 1, der ins- besondere zur Druckmessung in Erdölbohrlöchern geeignet ist. Der Sensor 1 um- fasst eine Pumplichtquelle 8, Zuführungsfasern 7a-7d, einen Faserlaser 2, der eine laserverstärkende Faser 3 und mindestens zwei Endreflektoren 4a, 4b auf- weist, eine Detektionseinheit 12 und eine Auswerteelektronik 17. Zwischen den Endreflektoren 4a, 4b ist eine Sensorfaser 5,5a, 5b mit einer bezüglich der Fa- serlängsachse nicht rotationssymmetrischen Struktur angeordnet. Bevorzugt weist die Sensorfaser 5,5a, 5b einen elliptischen Kern auf und ist unmittelbar als ganzes oder teilweise einem zu messenden Druck, insbesondere einem radial wirkenden hydrostatischen Druck, ausgesetzt. Generell kann die Sensorfaser 5 einstückig oder für eine inhärente Temperaturkompensation zweistückig 5a, 5b ausgeführt sein. Die Endreflektoren 4a, 4b sind auf einfache Weise als Faser- Bragg-Gitter 4a, 4b realisierbar. In der dargestellten Reflexionskonfiguration steht die Pumplichtquelle 8, der Faserlaser 2 und die Detektionseinheit 12 durch einen vorzugsweise wellenlängenselektiven Faserkoppler 9 in optischer Verbin- dung. Die Detektionseinheit 12 umfasst einen Analysator 14, einen Detektor 15 und insbesondere eine aktive Polarisationskontrolle 13. Der Detektor 15 ist über eine Signalleitung 16 mit der Auswerteelektronik 17 verbunden, die ihrerseits einen Frequenzfilter 18 und einen Frequenzzähler 19 aufweist. Typischerweise sind die Fasern 3,4a, 4b, 5a, 5b durch Spleisse 10a-lOf miteinander und mit den Zuführungsfasern 7b, 7d verbunden und bilden einen mechanisch stabilen Aufbau. Ein optischer Isolator 11 zwischen dem Faserkoppler 9 und der Detekti- onseinheit 12 ist nützlich zur Unterdrückung von Rückreflexen in den Faserla- ser 2.

Die Sensorfaser 5,5a, 5b soll mehrere, vorzugsweise zwei, Polarisations-oder Raummoden tragen, zwischen denen durch druckabhängige Doppelbrechung ei- ne differentielle Phasenverschiebung induziert werden kann. Mit Vorteil han- delt es sich daher bei der Sensorfaser 5,5a, 5b um eine als Polarimeter wirken- de Monomodefaser (Fig. 1) oder besonders bevorzugt um eine Zweimodenfaser (Fig. 4). Als rotationsasymmetrische Sensorfasern 5,5a, 5b sind doppelbrechen- de Fasern, insbesondere stark doppelbrechende oder polarisationserhaltende Fasern, gut geeignet. Polarisationserhaltende Fasern mit elliptischem Kern sind als Zweimodenfasern einsetzbar. Neben Fasern mit elliptischem Kern (forminduzierte Doppelbrechung) sind auch solche mit"bow-tie"-Struktur, "panda"-Struktur oder einer elliptischen inneren oder äusseren Faserhülle (stressinduzierte Doppelbrechung) gebräuchlich. Diese Typen sind in dem Arti- kel von K.-H. Tsai et al.,"General Solutions for Stress-Induced Polarization in Optical Fibers", Journal of Lightwave Technology Vol. 9, Nr. 1,1991 dargestellt.

Fasern mit forminduzierter Doppelbrechung verursachen bei weitem die gering- sten temperaturbedingten Phasenverschiebungen. Fig. lb zeigt als weitere Bei- spiele für doppelbrechende Sensorfasern 5,5a, 5b eine Faser (A) mit elliptisch- em oder rundem Kern 51 und angeschliffener Hülle 52 ("D-shape"Struktur) und eine Faser (C) mit rundem Kern 51, runder Hülle 52 und Seitenlöchern 53 ("side-hole"Struktur). Eine Besonderheit stellt die doppelbrechungsfreie Faser (B) mit rundem Kern 51 und teilweise angeschliffener, rotationsasymmetrischer Faserhülle 52 dar. Die Faserhülle 52 kann einseitig, zweiseitig oder mehrseitig angeschliffen sein, so dass durch isotropen Druck die Entartung der Polarisati- onsmoden aufgehoben und die gewünschte Doppelbrechung induziert wird.

Ein erhebliches Problem für die Messgenauigkeit eines Faserlaser-Drucksen- sors 1 besteht darin, dass die Doppelbrechung von Sensorfasern 5,5a, 5b oft- mals temperaturabhängig ist. Eine vorteilhafte Ausnahme stellt die Faser (B) dar. Im Fall eines polarimetrischen Drucksensors 1 ist eine weitgehende Tem- peraturunempfindlichkeit durch den erfindungsgemässen differentiellen Aufbau der Sensorfaser 5a, 5b gemäss Fig. la realisierbar. Die Sensorfaser 5a, 5b be- steht aus genau zwei Fasersegmenten 5a, 5b, die hinsichtlich ihrer Faserpara- meter, insbesondere der Grosse und Temperaturabhängigkeit der Doppelbrech- ung, und ihrer Länge zumindest weitgehend identisch sind, die um 90° zuein- ander verdreht sind und vorzugsweise über einen Spleiss 6 miteinander in opti- scher Verbindung stehen. Der 90°-Rotationswinkel sollte mit einer Genauig- keit von 30°, insbesondere 10° eingehalten sein. Man erhält aber schon bei von 0° abweichenden Rotationswinkeln temperaturunabhängige Schwebungs- signale. Wenn die Störgrösse (Temperatur) auf beide Segmente 5a, 5b und die Messgrösse (Druck) nur auf ein Segment 5a oder 5b wirken, werden die Störef- fekte genau kompensiert und die Messgrösse extrahiert. Natürlich können auch mehrere Mess-und/oder Referenz-Fasersegmente 5a, 5b vorhanden sein. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist die gute absolute Eichbarkeit des Drucksignals, da dem Druck 0 bei beliebigen Temperaturen idealerweise die Schwebungsfrequenz 0 entspricht. Auch kann ein statischer Referenzdruck, der auf das vom Medium 30 abgeschirmte Referenzfasersegment 5a ; 5b einwirkt, so vorgegeben werden, dass die Schwebungsfrequenz um einen gewünschten addi- tiven Wert reduziert wird. Wenn die Fasersegmente 5a, 5b unterschiedliche Fa- serparameter (Kerngrösse, Elliptizität, Indexsprung, usw.) haben, sollen ihre Längen so gewählt sein, dass die durch temperaturabhängige Doppelbrechung hervorgerufenen Phasenverschiebungen weitgehend gleich sind. Die Entartung der Eigenfrequenzen bei verschwindendem Druck ist dann i. a. aufgehoben.

Im Falle einer Zweimoden-Sensorfaser (Fig. 4) sollen die Segmente 5a, 5b parallel unter 0° oder orthogonal unter 90° zueinander orientiert. Die Winkelbe- reiche sollen wieder vorzugsweise 30°, insbesondere 10° betragen. Die paral- lele Orientierung hat den Vorzug, dass eine Kompensation temperaturinduzier- ter Phasenverschiebungen genau bei identischen Längen von Segmenten 5a, 5b des gleichen Fasertyps erzielbar ist. Temperaturunabhängige Schwebungssig- nale treten aber schon bei von 90° abweichenden Rotationswinkeln auf. Die Spleisse 10c, 6 und 10d sind transversal verschoben, so dass im ersten Segment 5a beide Raummoden LPoi und LP, Igerade angeregt werden, beide Raummoden beim Übertritt in das Segment 5b über Kreuz gekoppelt werden und die Interfe- renz beider Raummoden in die Zuführungsfaser 7d oder 7b eingekoppelt wird.

Bei Druck auf ein Fasersegment 5a ; 5b wird die Doppelbrechung zwischen den Raummoden modifiziert, eine Phasenverschiebung induziert und im Faserlaser eine Frequenzverstimmung und Schwebungsfrequenzen zwischen den Raum- moden erzeugt. Aufgrund der differentiellen Anordnung der Fasersegmente 5a, 5b ist wiederum eine temperaturkompensierte Druckmessung realisierbar. Al- ternativ dazu ist auch eine rein passive Temperaturkompensation mit einer ein- stückigen Sensorfaser 5 möglich. Bei Zweimodenfasern existiert nämlich eine charakteristische Wellenlänge ka, bel welcher die Gruppengeschwindigkeiten beider Raummoden LPoi und LP, Igerade gleich sind und keine temperaturindu- zierten Phasenverschiebungen zwischen den Moden auftreten. Somit ist ein weitgehend temperaturkompensierter Faserlaser-Drucksensor 1 dadurch rea- <BR> <BR> <BR> lisierbar, dass die Emissionswellenlänge, d. h. die Bragg-Wellenlänge B der Faser-Bragg-Gitter 4a, 4b, im Spektralbereich einer verschwindenden Dop- pelbrechung der Gruppenbrechungsindizes der Sensorfaser 5,5a, 5b gewählt ist.

Ergänzend oder alternativ zu passiven Temperaturkompensationsanordnungen ist sowohl bei polarimetrischen als auch bei Zweimoden-Sensorfasern 5,5a, 5b eine aktive Temperaturmessung und Drucksignalkorrektur durchführbar, in- dem beispielsweise die Bragg-Wellenlänge (B) als Mass für die Temperatur Verwendung findet. Beispielsweise kann zwischen dem Isolator 11 und der Po- larisationskontrolle 13 ein zusätzlicher Faserkoppler mit einem optischen Wel- lenlängenmeter (nicht dargestellt) vorgesehen sein und mit Hilfe einer geeich- ten Wellenlängenmessung die absolute Temperatur des Faserlasers 2 bestimmt werden.

Anhand von Fig. 2 soll die Funktionsweise des Faserlasers 2 und einer zwei- stückigen Sensorfaser 5,5a, 5b näher erläutert werden. Der Faserlaser 2 stellt eine Laserkavität mit Longitudinalmoden 33 dar (Fig. 2a, 2b). Deren Eigenfre- quenzen sind dadurch charakterisiert, dass die optische Länge des Faserlasers 2 durch ganzzahlige Vielfache der halben Laserwellenlänge ausgefüllt ist. Der Frequenzabstand Avo zwischen benachbarten Longitudinalmoden 33 ist unter Vernachlässigung von Dispersionseffekten aequidistant und beträgt für einen in das erste Sensorfasersegment 5a eingekoppelten Polarisationsmode x, y oder Raummode LPoi, LP, lgerade Av. = c/ [2. (nd. Ld + na La + nb Lb)], (G1) wobei c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ; nd = effektive Brechungsindex der dotierten Faser 3 : Ld = Länge der dotierten Faser ; na, nb = effektive Brechungs- indizes des eingekoppelten Modes in den beiden Sensorfasersegmenten 5a, 5b und La, Lb = Lange der Sensorfasersegmente 5a, 5b. Für den orthogonal einge- koppelten Mode oder den zweiten Raummode ergibt sich ein Frequenzabstand Avo'wie in (G l) mit den zugehörigen Brechungsindizes na', nb'. Zur Vereinfachung der Rechnung, jedoch ohne Einschränkung der Allgemeinheit, wird angenom- men, dass beide Sensorfasersegmente 4a, 4b von gleichem Typ und gleicher Län- ge sind, so dass gilt : na'= nb, nb'= na, La = Lb und Avo = Avo'= c/ [2 (nd Ld + (na + nb) L)]. (G2) Ohne Druck auf die Sensorfaser 5a, 5b sind dann die Doppelbrechungen Ana = na-na'und Anb = nb-nb'in den Segmenten 5a und 5b entgegengesetzt gleich und die Frequenzen beider Moden sind entartet. Wird ein Druck bei- spielsweise auf das Segment 5a ausgeübt, ändert sich die Doppelbrechung Ana und die Phasenverschiebung # = (2 # # / #) # L # #na proportional zum Druck : AC = Kp. p. L mit (G4) <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Kp = 2. s/k. [8 (Ana)/Dp + (Ana/L). a L/op], (G5)<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> wobei At = induzierte Phasenverschiebung, Kp = Proportionalitätskonstante, p = Druck und X = Wellenlänge des Faserlasers 2. Dieser Ausdruck ist in erster Ordnung gültig und berücksichtigt nicht Abhängigkeiten höherer Ordnung von <BR> <BR> <BR> <BR> Druck und/oder Temperatur. Durch die Phasenverschiebung AO werden die Ei- genfrequenzen orthogonaler Moden des Faserlasers relativ zueinander verscho- ben. Wie aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich ergeben sich dadurch die Schwe- bungsfrequenzen Avl und Avo-Avi und allgemein m. AvO + Avl, m = 1,2,3,... Die Frequenzabstände bleiben praktisch unverändert und sind wie zuvor näherungs- weise aequidistant und gleich. Der maximal messbare Druck ist durch die Be- dingung gegeben, dass die Schwebungsfrequenz, beispielsweise die grundlegende Avi, eindeutig detektierbar sein soll, d. h. dass Av, < Avo/2 gilt. Dies entspricht einer maximal zulässigen druckinduzierten Phasenverschiebung toman = z/2.

Zur Verdeutlichung einige quantitative Abschätzungen zum Druckmessbereich und Druckauflösungsvermögen : Kommerziell erhältliche polarisationserhalten- de Fasern 5a, 5b mit elliptischem Kern zeigen eine typische hydrostatische bzw. isotrope Druckempfindlichkeit Kp : 0,7 rad/ (MPa m) bei X ~ 800 nm. Wegen<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Kp ist Kp 35 rad/ (MPa m) bei A ~ 15a0 nm. Somit existiert bei dieser Wellenlänge eine obere Schranke für das Produkt aus Sensorfaserlänge L und Druck p L # p < ##max / Kp = 4,5 MPa # m. (G6) Beispielsweise können mit einem Sensorfasersegment 5a der Länge L = 4,5 cm Maximaldrücke bis zu 100 MPa (= 1000 bar) gemessen werden.

Das Druckauflösungsvermögen ist durch das Verhältnis von Linienbreite zur maximalen Schwebungsfrequenz Avo/2 gegeben. Typische Werte für diese Gros- sen liegen im 1-10 kHz-Bereich und im 100 MHz-1 GHz-Bereich. Beispiel- haft sei eine dotierte Faser 3 von 25 cm, Sensorfasersegmente 5a, 5b von je 5 cm und ein mittlerer effektiver Brechungsindex von 1,45 angenommen. Dann be- trägt gemäss Gleichung (G2) der Frequenzabstand Avo = 295 MHz und die Wel- <BR> <BR> <BR> <BR> lenlängenseparation zwischen benachbarten Longitudinalmoden A 2/C tVo = 0,0024 nm.

Weitere Designkriterien für die Auslegung des erfindungsgemässen Faserlaser 2 und insbesondere der Faser-Bragg-Gitter 4a, 4b werden im Zusammenhang mit Fig. 2c erläutert. Das Emissionsspektrum des Faserlasers 2 besteht aus den Longitudinalmoden 33, welche innerhalb des Fluoreszenzspektrums der dotier- ten laserverstärkenden Faser 3 und der Reflexionsspektren 34 der Faser-Bragg -Gitter 4a, 4b liegen und dort mehr Verstärkung als Verluste erfahren. Mit Vor- teil ist der Faserlaser 2 so optimiert, dass die Laserschwelle niedrig ist, wenige Longitudinalmoden 33 anschwingen und eine geringe Temperaturempfindlich- keit des Laserverhaltens resultieren. Daraus ergibt sich für die Dimensionierung der Faser-Bragg-Gitter 4a, 4b das Optimierungsproblem, eine hohe Reflektivi- tät R und eine geringe spektrale Breite oder Bandbreite AvB zu erzielen und stö- rende Temperatureffekte zu eliminieren.

Faser-Bragg-Gitter 4a, 4b sind mit hohen Reflektivitäten bis zu annähernd 100 % und kleinsten Bandbreiten bis ca. AvB = 0,2 nm bei einer Bragg-Wellen- länge au ~ 1550 nm erhältlich. Die spektrale Position des Reflexionsmaximums, charakterisiert durch die Bragg-Wellenlänge kB bzw. die Bragg-Frequenz VB, verschiebt sich mit der Temperatur um typischerweise 0,01 nm/°C bei #B # 1550 nm. Für eine tiefe Laserschwelle ist es von Vorteil, wenn die Reflektivität des ersten Faser-Bragg-Gitters 4a im Bereich 85%-99%, insbesondere gleich 90%, und die des zweiten Faser-Bragg-Gitters 4b grösser als 98%, insbesonde- re grösser als 99%, gewählt ist. Eine geringe Anzahl aktiver Longitudinalmoden 33 ist einerseits durch eine kurze Faserlaserlänge Ld + 2 * L und andererseits durch die Wahl kleiner spektraler Breiten Avg), Avg der Faser-Bragg-Gitter 4a, 4b realisierbar. Bevorzugt sind die Bandbreiten Avg<, Avg < 0,7 nm, insbe- sondere AvB (l), AvB (2) < 0,3 nm gewählt. Durch die Einschränkung auf einige we- nige Longitudinalmoden 33 wird einer Linienverbreiterung der Schwebungsfre- quenzen durch Dispersion im Faserlaser 2 entgegengewirkt.

Durch unterschiedliche Verschiebungen der Reflexionswellenlängen, z. B. auf- grund unterschiedlicher Temperaturen der Faser-Bragg-Gitter 4a, 4b, können die Verluste im Faserlaser 2 ungebührend erhöht werden. Eine erfindungsge- mässe Vorsichtsmassnahme besteht darin, beide Gitter mit gleicher Reflexions- <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> wellenlänge und eines der Gitter mit grösserer Bandbreite (avez > #vB(2)) zu<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> wählen, um immer eine vollständige Überlappung der Reflexionsspektren zu ge- währleisten. Insbesondere ist die eine Bandbreite Avg) zweimal und bevorzugt dreimal so gross wie die andere AvB (2). Eine günstige Wahl ist z. B. AVB = 0,6 nm und AvB (2) = 0,2 nm.

Bei der laserverstärkenden Faser 3 handelt es sich mit Vorteil um eine mit eini- gen 100 ppm Erbium (Er3+)-Ionen dotierte Faser 3, die Absorptionsbänder u. a. bei 1480 nm und 980 nm und optische Verstärkung oberhalb 1000 nm und im Spektralbereich 1530 nm-1570 nm aufweist. Kommerzielle Pumplaserdioden 8 sind sowohl für 1480 nm als auch für 980 nm erhältlich. Eine 1480 nm Pump- laserdiode ist bei grossen Entfernungen von einigen km zwischen Pumplaser 8 und Faserlaser 2 und/oder bei vielen Faserlasern 2 in Multiplexanordnung vor- zuziehen, da das Pumplicht geringere Verluste in den Zuführungsfasern 7a-7d erleiden. Auch sind optische Komponenten für 1550 nm gut erhältlich. Die Absorption von Pumplicht beträgt für eine Er3+-Dotierungskonzentration von 220 ppm typischerweise 3,3 dB/m bei 1480 nm. Die Laserschwelle liegt je nach optischen Verlusten in der Grössenordnung einiger mW absorbierter Pumpleis- tung. Die Pumplichtquelle weist vorzugsweise eine optische Leistung über 100 mW auf. Auch andere Dotierungen und Spektralbereiche können genutzt wer- den. Beispielhaft seien als seltene Erden-Elemente Praesodym (Pr3+) mit Emis- sion bei 1300 nm, Neodym (Nd3+) bei 1060 nm oder Thullium (Tm3+) bei 810 nm genannt. Die Pumpwellenlänge und die Reflexionswellenlänge der Faser-Bragg -Gitter 4a, 4b sind entsprechend anzupassen.

Die Fig. la und 3 zeigen Anordnungen zur Erzeugung und Detektion der Schwe- bungsfrequenz (en) für polarimetrische Sensorfasern 5,5a, 5b. Das vom Faserla- ser 2 emittierte Licht wird (überwiegend) auf der Seite des weniger reflektieren- den Faser-Bragg-Gitters, d. h. 4a in einer Reflexionskonfiguration oder 4b in einer nicht dargestellten Transmissionskonfiguration, ausgekoppelt. Im folgen- den sei eine polarimetrische Reflexionsanordnung unterstellt. Im Faserkoppler 9 wird das Emissionslicht vom Pumplicht aufgrund der verschobenen Wellenlänge separiert. Rückreflexe in den Faserlaser 2 werden durch den vorzugsweise faser- optischen Isolator 11 und durch einen Schräganschliff des Endes der Faser 7d unterdrückt. In der Detektionseinheit werden die Polarisationsmoden x, y im Analysator 14 zur Interferenz gebracht. Der Orientierungswinkel des Analysa- tors 14 relativ zu den Achsen der Polarisationsmoden x, y ist liegt zwischen 0° und 90° und insbesondere bei 45°. Der Analysator 14 kann massivoptisch oder einfacher als Faserpolarisator 14 ausgeführt sein. Im Detektor 15 wird das Inter- ferenzsignal in ein intensitätsproportionales elektrisches Signal umgewandelt.

Der Detektor 15, typischerweise eine Photodiode 15, benötigt hierfür eine Band- breite, die grösser als die zu messende Schwebungsfrequenz ist. Im Frequenz- filter 18 wird das gewünschte Schwebungssignal separiert und einem Frequenz- zähler 19 zugeführt. Alternative Ausführungsformen der Auswerteelektronik 17 können einen Radiofrequenz-Spektralanalysator, ein Oszilloskop oder andere Hochfrequenz-oder Mikrowellen-Messinstrumente umfassen.

In längeren oder gestörten Zuführungsfasern 7b-7d kann die Polarisation der beiden Moden x. y leicht verlorengehen. Zur Wiederherstellung der Polarisation ist eine Polarisationskontrolle 13 vorgesehen, in welcher eine die Störungen kom- pensierende Doppelbrechung (Grosse und gegebenenfalls Achsenorientierung) erzeugt wird. Alternative zur Polarisationskontrolle 13 können polarisationser- haltende Komponenten 7b-7d, 9,11 mit gleicher Orientierung wie der Analysa- tor 14 verwendet werden. Als weitere Alternative kann das Schwebungssignal unmittelbar ausserhalb des Faserlasers 2 durch einen Faserpolarisator 14 (nicht <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> dargestellt) erzeugt werden, der unter einem Winkel # 0° oder 90°, insbesondere unter 45°, zu den Doppelbrechungsachsen der Sensorfaser 5,5a, 5b orientiert ist.

Fig. 3 zeigt eine andere Alternative, bei welcher die Detektionseinheit 12 einen polarisationserhaltenden Faserkoppler 22 mit zwei unter 0° (10°) und 45° (10°) orientierten Analysatoren 14a, 14b und zwei Detektoren 15a, 15b aufweist. Die Analysatoren sind vorzugsweise Faserpolarisatoren 14a, 14b, die liber Spleisse 21a, 21b mit dem Faserkoppler 22 verbunden sind. Die Auswerteelektronik 17 umfasst zusätzlich einen Summierer 20, mit dessen Eingängen die Detektoren 15a, 15b über Signalleitungen 16a, 16b verbunden sind. Eine weitere Alternative zur Erzeugung von Interferenz zwischen den Polarisationsmoden x, y besteht darin, eine starke Kopplung zwischen den Moden x, y zu erzeugen, beispielsweise durch Mikroverbiegungen ("micro-bending") der Faser hinter dem optischen Isolator 11.

Fig. 4 stellt eine stark vereinfachte Variante zu Fig. 1 dar, bei welcher anstelle einer einmodigen eine zweimodige Sensorfaser 5a, 5b mit elliptischem Kern Verwendung findet. Die Interferenzbildung zwischen den räumlichen Moden LPoi und LPllgerade erfolgt unmittelbar am transversal versetzten Spleiss 10c.

Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Polarisationskontrolle 13 und eines Analysators 14 vor dem Detektor 15. Mit Vorteil ist in oder neben dem Faserla- ser 2 ein Faserpolarisator 14 z. B. mit Spleissen 10d und 10e eingefügt. Dann können die räumlichen Moden LPoi und LPllgeraae nur mit einer linearen Polari- sation x oder y anschwingen und die Anzahl Schwebungsfrequenzen ist hal- biert. Dieser Sensoraufbau zeichnet sich durch eine deutlich reduzierte Kom- <BR> <BR> <BR> plexität und sehr gute Eignung für Multiplexanordnungen gemäss Fig. 5 aus.

Fig. 5 zeigt eine Multiplexanordnung, die mehrerere Faserlaser 2 unterschiedli- cher Emissionswellenlängen xl,..., ki, umfasst. Die Faserlaser 2 stehen mit ge- nau einer Pumplichtquelle 8 und genau einer Detektionseinheit 12 in optischer Verbindung. Die Detektionseinheit 12 weist einen Wellenlängendemultiplexer 23 und einen Mehrkanal-Detektor 24 auf, der mit einer Mehrkanal-Auswer- teelektronik 17 in elektrischer Verbindung steht. In jedem Kanal wird eine Schwebungsfrequenz wie zuvor beschrieben detektiert. Insbesondere umfasst die Auswerteelektronik 17 für jeden Faserlaser 2 einen Frequenzfilter 18 und einen Frequenzzähler 19. Für die dargestellte serielle Multiplexanordnung sind die Dotierungskonzentrationen und Längen der laserverstärkenden Fasern 3 so gewählt, dass in jedem Faserlaser 2 genügend Pumpleistung absorbiert und genügend Pumpleistung für die nachfolgenden Faserlaser 2 transmittiert wird.

Es ist daher sehr vorteilhaft, dass separate Verstärkungsfasern 3 und Sensorfa- sern 5,5a, 5b vorgesehen sind und das Laserverhalten und die Druckempfind- lichkeit des Sensors 1 unabhängig voneinander optimierbar sind. Der Abstand zwischen den Emissionswellenlängen ist so gross gewählt, dass die Reflexions- spektren aller Faserlaser 2 auch bei Temperaturdifferenzen überlappungsfrei bleiben und eine spektrale Trennung der Signale im Demultiplexer 23 möglich ist. Somit benötigt jeder Faserlaser 2 für einen Temperaturbereich zwischen 0 °C und 230 °C ein Wellenlängenfenster von mindestens 2,4 nm. Die Multiplex- anordnung kann auch parallel oder netzwerkartig aufgebaut sein. Beispiels- weise kann das Pumplicht auch neben den Faserlasern 2 geführt sein und die- sen einzeln aber Faserkoppler zugeführt werden. Die Ausbreitungsrichtungen von Pumplicht und Laseremission dürfen gleiche Richtung haben. Vorteilhaft an einer Wellenlängen-Multiplexanordnung ist es, dass der grundlegende Auf- bau, insbesondere die Reflexionskonfiguration mit einem die Pumpwellenlänge selektierenden Faserkoppler 9, beibehalten werden kann und die Kanaltren- nung auf einfache Weise mit dem optischen Wellenlängendemultiplexer 23 durchführbar ist.

Die Fig. 6-9 zeigen Ausführungsbeispiele zu Druckgehäusen 25 mit tempera- turkompensierten Sensorfasersegmenten 5a, 5b. Die Idee besteht darin, die Endreflektoren 4a, 4b, die laserverstärkende Faser 3 und das Referenzfaser- segment 5a oder 5b abzuschirmen und nur das Messfasersegment 5b oder 5a dem zu messenden Druck p des Mediums 30 auszusetzen. Ferner ist ein kleiner, schlanker, mechanisch und thermisch stabiler Sensoraufbau 2 erwünscht.

Die erfindungsgemässe Lösung besteht darin, dass der Faserlaser 2 in einem druckfesten Gehäuse 25 mit mehreren Druckkammern 27a-27c und druckdich- ten Faserdurchführungen 28a-28d montiert ist und eine erste Druckkammer 27c, die ein Messfasersegment 5a ; 5b der Sensorfaser 5 enthält, in direktem Druckaustausch mit dem umgebenden Medium 30 steht. Die Durchführungen 28a-28d schaffen eine faseroptische Verbindung zwischen den Druckkammern 27a-27c und nach aussen. Das Gehäuse 25 hat vorzugsweise drei Druckkam- mern 27a-27c, eine längliche, insbesondere zylindrische, Gestalt, eine im we- sentlichen dem Faserlaser 2 entsprechende Länge und einen Durchmesser von maximal 10 mm. Bevorzugt weist das Gehäuse 25, insbesondere die Druckkam- mer 27c, für den Druckaustausch eine Öffnung 26 auf, die mit einer Druckmem- bran 32 versehen ist, und enthält ein Fluid 31, beispielsweise Silikonöl. Auf diese Weise wird der Umgebungsdruck p allseitig auf das Messfasersegment 5a ; 5b übertragen und diese vor direktem Kontakt mit dem Medium 30 geschützt.

Im Detail zeigen die Fig. 6-9, dass in einer zweiten Druckkammer 27a ein Fa- ser-Bragg-Gitter 4a und die laserverstärkende Faser 3 und in einer dritten Druckkammer 27b ein Faser-Bragg-Gitter 4b und ein Fasersegment 5b der Sensorfaser montiert sind. Die zweite und dritte Druckkammer 27a, 27b stehen vorzugsweise unter Vakuum, Niederdruckgas oder Normaldruck. Sie können als Innenkapillare 27a, 27b (Fig. 6) oder als Gehäuseabteile (Fig. 7) realisiert sein.

Günstigerweise sind die Innenkapillare 27a, 27b. zylindrisch und bestehen aus korrosionsbeständigem Stahl oder Quarzglas, welches einen optimal an die Fa- sern 3,4a, 4b, 5a, 5b angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten be- sitzt. Die Fasern 3,4a, 4b, 5a, 5b sind spannungsfrei in den Druckkammern 27a -27c befestigt, um Faserdehnungen aufgrund thermischer oder mechanischer Belastungen des Gehäuses 25 zu vermeiden. Bei einem einzelnen Faserlaser 2 oder dem letzten in einer Multiplexanordung entfallen Zuleitungsfaser 7d und Faserdurchführung 28d und die Faser mit dem Faser-Bragg-Gitter 4b kann innerhalb des Gehäuses 25 enden (Fig. 7). Anstelle des ersten Fasersegments 5a kann auch das zweite 5b dem Umgebungsdruck p unterworfen sein (Fig. 8).

Ferner kann eine einmodige Zwischenfaser 35 im Bereich der druckdichten Fa- serdurchführung 28c zwischen den Fasersegmenten 5a, 5b angeordnet sein (Fig. 9). Die Zwischenfaser 35 dient dazu, die Kraft der Faserdurchführung 28 c aufzunehmen und eine weitgehend kräftefreie Halterung der Sensorfasern 5a, 5b zu ermöglichen. Vorzugsweise hat die Zwischenfaser 35 einen elliptischen Kern, durch den eine fixe, weitgehend kraftunabhängige Achsenorientierung der Doppelbrechung gewährleistet ist. Die orthogonalen Moden x, y oder LPol, LPllgerade der Sensorfasern 5a, 5b sollen durch die gleichen Moden oder vor- zugsweise den gleichen Mode in der Zwischenfaser 35 übertragen werden, um druckbedingte Phasenverschiebungen in der Zwischenfaser 35 inhärent zu kompensieren. Die Kernellipse der Zwischenfaser 35 soll deshalb im Falle pola- rimetrischer Monomode-Sensorfasern 5a, 5b unter 45° (10°) und im Falle räumlicher Zweimoden-Sensorfasern 5a, 5b parallel oder orthogonal (10°) zu den Achsen der Segmente 5a, 5b stehen. Im letzteren Fall sind die zusätzlichen Spleisse 6 transversal versetzt, um beide Raummoden der Segmente 5a, 5b möglichst gleichmässig ein-und auszukoppeln. Die orthogonalen Moden werden nur teilweise über Kreuz gekoppelt und es treten zusätzliche, temperaturab- hängige Schwebungsfrequenzen au£ Die Wirksamkeit der passiven Tempera- turkompensation ist somit gewahrt.

Das erfindungsgemässe Druckgehäuse 25 für den Faserlaser-Drucksensor 1 weist mehrere Vorteile auf. Das Gehäuse 25 zeichnet sich durch Kompaktheit, geringes Gewicht und grosse mechanische und thermische Belastbarkeit aus. Es ist mit seiner dünnen, länglichen Gestalt einer optischen Faser optimal ange- passt und sehr gut für den Einsatz in grossen Faserstrecken 7a-7d mit vielen Druckmessstellen insbesondere in Ölförderbohrlöchern geeignet. Im Gehäuse 25 können problemlos Fasern 3,4a, 4b, 5a, 5b montiert sein, die eine hochtempera- turtaugliche Faserummantelung, z. B. aus Polyimide oder Metall, und/oder ein Faserkabel 29 aufweisen. Auch sind spezielle Faserummantelungen zur Anpas- sung der akustischen Impedanz zwischen Sensorfaser 5,5a, 5b und Medium 30 oder Fluid 31 beispielsweise für (Ultra) Schalldetektoren auf einfache Weise realisierbar.

Die Reihenfolge der Fasern 3.5a, 5b im Faserlaser 2 ist i. a. beliebig. Insbeson- dere kann die dotierte Faser auch am hinteren Ende des Faserlaser 2 oder zwi- schen den beiden Sensorfasersegmenten 5a, 5b angeordnet sein. Die Sensorfa- ser 5a, 5b kann auch aus einer polarimetrischen Monomodefaser 5a und einer Zweimodenfaser 5b bestehen. Dann ist z. B. eine polarimetrische Druckmes- sung und eine Zweimodenfaser-Temperaturmessung oder umgekehrt möglich.

Im Falle einer einstückigen Sensorfaser 5 entfällt jeweils das vor dem Umge- bungsdruck p geschützte Fasersegment 5a oder 5b und die Druckgehäuse 25 aus den Fig. 6-8 vereinfachen sich entsprechend. Generell können die Faser- Bragg-Gitter 4a, 4b direkt in die dotierte laserverstärkende Faser 3 und/oder in die Sensorfaser 5,5b geschrieben sein. Für besonders kompakte Faserlaser- Drucksensoren 2 können auch die laserverstärkende Faser 3 und die Sensorfa- ser 5,5a, 5b identisch sein, d. h. die Sensorfaser 5,5a, 5b ist mit seltenen Erden -Ionen dotiert und wirkt zugleich als laserverstärkende Faser 3. Dann sind so- wohl der maximal messbare Druck als auch näherungsweise die Laserschwelle umgekehrt proportional zur Länge der Sensor-Laser-Faser 5,5a, 5b, 3.

Der erfindungsgemässe Faser-Laser Sensor 1 kann ausser zur Messung isotroper Drücke auch für andere Messgrössen ausgelegt sein. Beispielsweise sind auch anisotrope transversale oder longitudinale Kräfte oder Dehnungen und Temperaturen messbar. Zur Messung longitudinaler Dehnungen und von Temperaturen ist die Sensorfaser 5,5a, 5b doppelbrechend und bevorzugt zweimodig gewählt. Dabei sind die oben beschriebenen Sensoraufbauten 2 so zu betreiben, dass die Messgrösse auf die einstückige Sensorfaser 5 oder auf ein Segment 5a, 5b einwirkt.

Insgesamt offenbart die Erfindung einen frequenzkodierten Faserlaser-Druck- sensor 1 zur Messung vorzugsweise isotroper Drücke, dessen druckempfindli- ches Sensorelement aus einer vorzugsweise langgestreckten, rotationsasymme- trischen Sensorfaser 5,5a, 5b besteht und der rein optisch ausgelesen wird, ein- fach multiplexierbar ist und in einem sehr kompakten, leichtgewichtigen und robusten Druckgehäuse 25 verpackt werden kann.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Faserlaser-Drucksensor 2 Faserlaser 3 laserverstärkende Faser, dotierte Faser 4a, 4b Endreflektoren, Faser-Bragg-Gitter 5,5a, 5b doppelbrechende Sensorfaser, Sensorfasersegmente ; Fasern mit ellip- tischem Kern (einmodig oder zweimodig) 51 Faserkern 52 Faserhülle ("cladding") 53 seitliche Löcher 6 90°-Spleiss 7a-7d Zuführungsfasern 8 Pumplichtquelle, Pumplaser 9 Faserkoppler, Wellenlängenmultiplexer 10a-10f Spleisse 11 optischer Isolator 12 Detektionseinheit 13 Polarisationskontrolle 14,14a, 14b Analysator, Faserpolarisator 15 Detektor, Photodiode 16 Signalleitung 17 Auswerteelektronik 18 Frequenzfilter 19 Frequenzzähler 20 Summierer 21a, 21b 0°, 45° Spleisse 22 polarisationserhaltender Faserkoppler 23 Wellenlängendemultiplexer 24 Mehrkanal-Detektor <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 25 Gehäuse<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 26 Öffnung 27a-27c Druckkammern, Gehäuseabteile 27a, 27b Innenkapillare 28a-28d druckdichte Faserdurchfiihrungen 29 Faserkabel 30 Medium 31 Fluid 32 Membran 33 Frequenzen der Longitudinalmoden 34 Reflexionsspektren der Bragg-Gitter 35 Zwischenfaser c Lichtgeschwindigkeit im Vakuum La, Lb, L Längen der Sensorfasersegmente Ld Länge der laserverstärkenden Faser <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Bragg-Wellenlänge<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> #1, ..., #i Emissionswellenlängen v Frequenz des Faserlasers VB Bragg-Frequenz AVB, #vB(1), OvB (2) Bandbreiten der Faser-Bragg-Gitter #vo,Avo'Frequenzabstand Avl fundamentale Schwebungsfrequenz nd, na, na', nb, nb'effektive Brechungsindizes Ana,#nb Doppelbrechungen i, m Indizes p Druck T Temperatur R (normierte) Bragg-Reflektivität