Optische Fasern ermöglichen Blick ins Vakuum

Die Anfor­de­run­gen an die Über­wa­chung von im Vakuum ablau­fen­den tech­no­lo­gi­schen Pro­zes­sen stei­gen stän­dig. Einer­seits sol­len die Vaku­um­sys­teme voll­stän­dig vom Pro­zess ent­kop­pelt sein, um externe Ein­flüsse zu ver­mei­den, ande­rer­seits sol­len die Pro­zess­pa­ra­me­ter aber in-situ durch Mess­sys­teme im Vakuum cha­rak­te­ri­siert und kon­trol­liert werden.

Hier bekom­men opti­sche Metho­den unter Ver­wen­dung von Licht­leit­fa­sern eine immer grö­ßere Bedeu­tung. Opti­sche Fasern bie­ten eine Viel­zahl von Vor­tei­len – sehr gute Trans­mis­sion und Signal­qua­li­tät, Wider­stands­fä­hig­keit gegen elek­tro­ma­gne­ti­sche Stö­run­gen, hohe Lebens­dau­ern und gute mecha­ni­sche Stabilität.

Im Rah­men des Wachs­tums­kerns Tail­o­red Opti­cal Fibers (TOF) wurde in Zusam­men­ar­beit der Pro­jekt­part­ner FBGS Tech­no­lo­gies GmbH und VACOM Vakuum Kom­po­nen­ten & Mess­tech­nik GmbH ein opti­sche Tem­pe­ra­tur­sen­sor für das Vakuum entwickelt.

Der Sen­sor basiert auf Faser-Bragg-Git­tern (FBG), die in einem kom­ple­xen Her­stel­lung­pro­zess in die Faser ein­ge­schrie­ben wer­den. Diese Git­ter funk­tio­nie­ren als schmal­ban­dige opti­sche Fil­ter und reagie­ren extrem sen­si­tiv auf Tem­pe­ra­tur­än­de­run­gen (s. Abb. B).

Auf die­sem Prin­zip basie­rende Sen­so­ren wer­den bereits bei der Tem­pe­ra­tur- und Deh­nungs­mes­sung unter Extrem­be­din­gun­gen z.B. in der Ölin­dus­trie, der Luft- und Raum­fahrt oder an Wind­kraft­an­la­gen und Brü­cken eingesetzt.

Ein Teil des in die Faser ein­ge­kop­pel­ten breit­ban­di­gen Lichts wird bei stei­gen­der Tem­pe­ra­tur am Git­ter wel­len­län­gen­ab­hän­gig reflek­tiert. Mit sich ändern­der Tem­pe­ra­tur am Git­ter ändert sich die Wel­len­länge der maxi­ma­len Licht­in­ten­si­tät im Refle­xi­ons­spek­trum des Git­ters (s. Abb. A).

Abso­lute Ände­run­gen der Wel­len­länge sind mit einer Abwei­chung von maxi­mal +/​– 1 pm mess­bar. Damit ist eine rela­tive Tem­pe­ra­tur­auf­lö­sung von bis zu 0,1 K mög­lich ist.

Die lineare Ände­rung der Wel­len­länge mit der Tem­pe­ra­tur ist dabei vom Umge­bungs­druck unab­hän­gig. Sowohl unter Nor­mal­be­din­gun­gen als auch im Vakuum ist eine iden­ti­sche lineare Ände­rung der Wel­len­länge mit der Tem­pe­ra­tur nach­weis­bar (s. Abb. C).

Die Funk­ti­ons­weise ist ein­fach und damit sehr robust. Durch die opti­schen Fasern kann das Mes­si­gnal nahezu ohne Zeit­ver­lust sta­bil über meh­rere Kilo­me­ter über­tra­gen werden.

Durch die Koope­ra­tion mit der VACOM Vakuum Kom­po­nen­ten & Mess­tech­nik GmbH gelang es, den Ein­satz eines FBG Sen­sor als opti­schen Tem­pe­ra­tur­sen­sor im Vakuum zu demonstrieren.

Opti­sche Fasern mit meh­re­ren FBG sind damit als kom­pakte, robuste und fle­xi­ble Netz­werke loka­ler Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren im Vakuum einsetzbar.

Link zum Arti­kel (kos­ten­pflich­tig)

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/vipr.201900712

Opti­sche Schnitt­stel­len – Der Blick ins Vakuum
A. Trütz­schler, C. Bart­litz, M. Kohl, C. Voigt­län­der, E. Lind­ner, K. Berg­ner, M. Fläm­mich, U. Bergner
VAKUUM, 2019 WILEY-VCH Vol. 31, Issue 3 May/​June 2019, p. 37–41