Zum ersten Mal wenden Forscher die Dual-Frequenz-Kammtechnologie auf photonische Thermometer an

Jun 26, 2023

29. August 2023

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von Jennifer Lauren Lee, National Institute of Standards and Technology

Photonische Thermometer, die die Temperatur mithilfe von Licht messen, haben das Potenzial, die Temperaturmessung zu revolutionieren, da sie schneller, kleiner und robuster als herkömmliche Thermometer sind. Im Wesentlichen funktionieren die Sensoren, indem sie Licht in eine temperaturempfindliche Struktur leiten. Das aus dem Gerät austretende Licht gibt den Wissenschaftlern Aufschluss über die Temperatur, der der Sensor ausgesetzt war.

Eines Tages könnten diese winzigen Thermometer – und weitere Arten von photonischen Sensoren, die Dehnung, Feuchtigkeit, Beschleunigung und andere Größen messen – beim Bau in Strukturen wie Gebäude oder Brücken eingebettet werden. Durch die Messung dieser Eigenschaften beim Aushärten von Beton oder Zement könnten photonische Sensoren Ingenieuren wertvolle Informationen darüber liefern, wie sich die Struktur gebildet hat, die ihnen dabei helfen können, vorherzusagen, wie sich die Struktur langfristig entwickeln wird.

Ein Problem, das die Forscher jedoch noch nicht gelöst haben, ist die beste Möglichkeit, diese photonischen Sensoren zu „befragen“ – das heißt, Licht hinein- und wieder herauszuholen. Herkömmliche Methoden, bei denen Laser verwendet werden, um jede Lichtfrequenz zu erzeugen, die in den Sensor eintritt, sind schwierig, langsam, teuer und sperrig.

Nun haben Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) eine Möglichkeit entwickelt und getestet, diese Sensoren zehn- bis tausendmal schneller als bisherige Methoden abzufragen. Sie tun dies mit einem sogenannten Dual-Frequenz-Kammsystem, das in der Vergangenheit für Aufgaben wie die Messung von Spuren von Treibhausgasen eingesetzt wurde, aber noch nie zuvor bei photonischen Thermometern eingesetzt wurde.

Der Artikel wurde in der Zeitschrift Optics Letters veröffentlicht und das Proof-of-Principle-Experiment bringt sie der Kommerzialisierung dieser Technologie einen Schritt näher.

„Ich war überrascht, wie gut es funktionierte“, sagte Zeeshan Ahmed vom NIST.

Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass das Doppelkammsystem im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, um Licht in die Sensoren hinein und aus diesen heraus zu leiten, mehrere photonische Sensoren gleichzeitig unterstützen könnte, was die Größe und Kosten eines künftig kommerzialisierten Systems weiter reduziert.

Um ein photonisches Thermometer zu verwenden, leiten Forscher Licht vieler Wellenlängen in ein Glasfaserkabel ein. Dieses Licht interagiert mit einer Art Sensor – in diesem Fall einer Art Gitter, das aus einer Reihe von Ätzmarkierungen innerhalb der Faser besteht.

Die Art und Weise, wie das Licht mit dem Gitter interagiert, hängt von der Temperatur ab. Das Signal, das die Forscher nach der Einwirkung einer Temperatur erhalten, ist eine Abnahme der Amplitude – im Wesentlichen ein „Einbruch“ – des Lichts einer der vielen Wellenlängen, die sie in die Faser einspeisen . Welche Wellenlänge den Abfall aufweist, sagt ihnen, welche Temperatur der Sensor erfährt.

Doch wie bringt man die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts in die Faser?

Eine traditionelle Methode besteht darin, den Laser zu „schwenken“, eine Reihe verschiedener Wellenlängen nacheinander zu erzeugen und jede einzelne in den Sensor zu senden. Um die Genauigkeit aufrechtzuerhalten, müssen Forscher in einem zusätzlichen Schritt jede Wellenlänge mit einem Standard vergleichen, der überprüft, ob die von ihnen erzeugte Wellenlänge die beabsichtigte ist.

„Das ist eine langsame Art, Dinge zu erledigen“, sagte Ahmed. „Es ist ein bisschen so, als würde man „Zwanzig Fragen“ spielen: Man fragt den Sensor: Ist diese Wellenlänge diejenige mit der Senke? Nein. Wie wäre es mit dieser? Nein.“

Geschwindigkeit ist insbesondere bei Anwendungen ein Problem, bei denen sich die Temperaturen schnell ändern – zum Beispiel bei der Messung von Temperaturänderungen im Mikrosekundenbereich (Millionstel einer Sekunde) als Folge einer Strahlendosis bei der Strahlentherapie, einer Art der Krebsbehandlung, bei der Lichtstrahlen zum Einsatz kommen erhitzen und töten Krebszellen.

„Die herkömmlichen Methoden des Scannens eignen sich nicht ideal zur Messung schneller Temperaturänderungen“, sagte Ahmed. „Wir können dafür sorgen, dass es funktioniert, aber es ist nicht perfekt. Unser Team und ich begannen also in diesem Zusammenhang zu reden: Wie können wir wirklich schnelle Messungen durchführen, aber sie dabei genau durchführen?“

Im aktuellen Projekt erreichte das Team dieses Ziel mithilfe von Geräten, die Frequenzkämme genannt werden – Laserlicht, das aus einer Reihe unterschiedlicher Wellenlängen besteht, die jeweils gleichmäßig voneinander beabstandet sind. (Wellenlänge und Frequenz hängen miteinander zusammen, sozusagen zwei Seiten derselben Medaille. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz und umgekehrt.) Wenn diese Wellenlängen in einem Diagramm dargestellt werden, sehen Frequenzkämme ein wenig wie a aus Haarkämme, bei denen jeder Zahn eine diskrete Lichtwellenlänge darstellt.

Kämme können für alles Mögliche verwendet werden, vom Bau von Atomuhren bis hin zur Funktion als Referenz bzw. als eine Art Lineal für Licht, mit dem Wissenschaftler ein Lichtsignal messen können, das von ihrem Experiment ausgeht.

In dieser Arbeit verwenden die Forscher eine Art Kamm als Lichtquelle – einen sogenannten „Interrogator“ –, den sie in das photonische Thermometer einbringen. Das von den Forschern gesuchte Signal ist eine Abnahme der Lichtmenge eines Gebisses entsprechend einer bestimmten Temperatur.

Aber es ist noch komplizierter, denn dieses System verwendet tatsächlich nicht einen, sondern zwei Frequenzkämme.

Das photonische Thermometer benötigt Nahinfrarotlicht mit Wellenlängen zwischen etwa 1.520 Nanometern (Milliardstel Meter) und 1.560 Nanometern – etwas zu lang, als dass das menschliche Auge es sehen könnte. (Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat Wellenlängen zwischen etwa 400 und 800 Nanometern.) Wenn die Zähne des Kamms so eng beieinander liegen – der Unterschied zwischen benachbarten Zähnen beträgt nur tausendstel milliardstel Meter –, ist die charakteristische Neigung, die den Forschern das sagt, schwer zu erkennen Temperatur des Sensors.

Um das Signal leichter lesen zu können, erstellen die Forscher einen zweiten Kamm, der fast eine exakte Kopie des ersten ist – fast, aber nicht ganz. Anschließend kombinieren die Forscher das Licht beider Kämme und senden es in den Sensor.

Wenn das Licht beider Kämme kombiniert wird, erzeugen ihre leicht versetzten Frequenzen ein Schwebungsmuster. Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Stimmgabeln, die Töne erzeugen, die fast identisch sind, aber leicht voneinander abweichen. Wenn Sie sie nacheinander abspielen, klingen sie für Sie möglicherweise gleich. Aber wenn man sie zusammen spielt, überlagern sich ihre leicht unterschiedlichen Klänge. Sie können diesen Unterschied tatsächlich hören – es klingt wie ein Schlag, wobei der Ton immer lauter und leiser und immer lauter und leiser wird.

Der Betrag, um den die Zähne der beiden Kämme voneinander versetzt sind, liegt im Bereich von Radiofrequenzwellen (RF), also Licht mit Wellenlängen in der Größenordnung von Metern. Durch die Verwendung von zwei optischen Kämmen erzeugen die Forscher effektiv einen einzigen HF-Kamm. Der Wellenlängenunterschied zwischen jedem Zahnpaar in den optischen Kämmen ist einzigartig – und dieser Unterschied erzeugt jeden einzelnen Zahn im HF-Kamm.

Wichtig ist, dass der „Einbruch“ der Wellenlänge im optischen Bereich, der den Forschern sagt, welche Temperatur der Sensor erfährt, auch zu einem „Einbruch“ der HF-Ausgabe führt. Dadurch wird der Abfall der Amplitude für eine bestimmte Wellenlänge deutlicher.

„Das ist der Vorteil des Dual-Comb-Ansatzes: Er komprimiert alle optischen Informationen in den HF-Bereich, wo sie leichter ausgelesen werden können“, sagte AJ Fleisher vom NIST.

Um zu testen, wie gut ihr neues Schema funktionierte, musste das NIST-Team seinen Sensor einer gut kontrollierten Temperatur aussetzen. Während der photonische Sensor selbst vom Laserlicht der beiden optischen Frequenzkämme abgefragt wird, befindet er sich in einem thermoskannenähnlichen Behälter, der als Fixpunktzelle bezeichnet wird.

Festpunktzellen sind Brocken aus reinem Material, die entweder schmelzen oder gefrieren. Während sie diesen Phasenwechsel durchlaufen, ist die Temperatur in ihrem Inneren stabil und bekannt. Festkommazellen werden verwendet, um Temperaturen gemäß dem internationalen Einheitensystem oder SI – der offiziellen internationalen Temperaturskala – zu ermitteln.

„Wir haben eine Festpunktzelle verwendet, weil wir wollten, dass die Temperaturstabilität in diesem Experiment nicht der limitierende Faktor ist“, sagte Tobias Herman vom NIST. „Auf diese Weise konnten wir, wenn sich etwas bewegte, bewegte oder Geräusche machte, das Temperaturbad als Ursache ausschließen. Es war nur dazu da, eine Bühne zu schaffen, auf der der Vernehmer glänzen konnte.“

Mit diesem Aufbau konnten sie die Temperatur auf ein Zehntausendstel Kelvin genau messen, was den Forschern zufolge für die meisten industriellen Anwendungen ausreicht.

„Es war ziemlich erstaunlich“, sagte Herman. „Ich habe eine ähnliche Faser verwendet, als wir ein anderes Forschungsprogramm starteten, und ich habe den Laser abgetastet, eine traditionelle Art der Befragung, und die Geschwindigkeit, mit der ich Daten erhielt, war lähmend langsam. Im Gegensatz dazu war die Erfassungsrate [Datenerfassung Zeit] dieses Systems war für mich erstaunlich. Aber um fair zu sein, ich bin ein Temperaturexperte, kein Kammexperte. Das ist nicht mein Fachgebiet, also war ich bereit für Erstaunen.“

In den kommenden Monaten hoffen die Forscher, den gleichen Aufbau mit mehr als einem Sensor gleichzeitig auszuprobieren. Das ist das Versprechen des photonischen Doppelkammsystems: Es kann mehrere Thermometer und andere photonische Sensoren in Reihe schalten, wobei jedes einzelne nacheinander vom gleichen Laserlicht durchstrahlt wird.

„Es kommt dem, was wir für die Kommerzialisierung benötigen, sehr nahe“, sagte Ahmed. „Wir haben bereits viele Kriterien erfüllt, die wir erfüllen müssen, etwa die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Messungen. Diese Studie zeigt, dass man mit einer kleinen Version eines Doppelkammsystems ausreichend gute Antworten für den benötigten Anwendungsbereich erhalten kann.“ "

Mehr Informationen: Adam J. Fleisher et al., Photonische Thermometrie mit dualem elektrooptischem Frequenzkamm, Optics Letters (2023). DOI: 10.1364/OL.482838

Zeitschrifteninformationen:Optikbriefe

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