Messung physikalischer Parameter im Nanometerbereich

Glasfasern werden heute in einer großen Anzahl unterschiedlicher messtechnischer Aufgaben zur Messung physikalischer Größen wie Position, Druck, Belastung, Temperatur und Konzentration erfolgreich eingesetzt. In den letzten Jahren hat sich die Forschung verstärkt auf die Optimierung bestehender Messtechnik wie beispielsweise Bragg-Gitter-Sensoren, interferometrische und intensitätsmodulierte Sensoren, konzentriert. Durch die Aktivitäten haben diese Verfahren inzwischen hohe Genauigkeit, Empfindlichkeit und Stabilität erlangt. Eine wesentliche messtechnische Herausforderung, die Messung unterschiedlicher physikalischer Parameter mit hohem Dynamikbereich und gleichzeitiger Auflösung im Nanometerbereich, wurde nach unserer Ansicht noch nicht zufriedenstellend gelöst. Genereller Zweck des Projektes ist daher die theoretische und experimentelle Erforschung faseroptischer niedrig- und hochkohärenter Interferometrie-Verfahren (FO, LCI, HCI) als Plattform für Sensoranwendungen. Das Hauptziel des ist dabei die Entwicklung einer Methode zur absoluten Distanz- und Positionsmessung mit einer Genauigkeit von unter einem Nanometer bei einem Dynamikbereich von mehreren Zehntel Mikrometern. Dies bedeutet ein Verhältnis von Auflösung zu Messbereich von zumindest 1 ppm. Wie in den Ausführungen im Projektvorschlag beschrieben gibt es gegenwärtig keine Messmethode, die solche Anforderungen erfüllen kann. Unser neuartiges Verfahren basiert auf zwei wesentlichen Merkmalen: 1. Kombination von zwei interferometrischen Prinzipien (niedrig- und hochkohärent) in einem einzigen System, unter Verwendung eines von uns als "doppelt empfangendes Interferometer (DRI)" genannten Element. 2. Vollständige Vermeidung beeglicher Komponenten durch Einsatz eines elektronischen Scanverfahrens mittels CCD. Scanvorgang und Signalverarbeitung werden in zwei aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt, wobei der erste zur groben Detektion des zentralen Fringes wie bei einem konventionellen LCI System dient, und der zweite Schritt zur genauen Phasenmessung durch Phasenshift-Technik angewandt wird, wie bei einem konventionellen HCI System. Der Hauptvorteil dieses neuartigen Konzeptes liegt in der relativ geringen Präzisionsanforderung für die beiden Einzelschritte. Es reicht aus, bei jedem Schritt nur tausend auflösbare und genaue Werte zu erfassen, wodurch ein niedrigeres Signal-Rauschverhältnis zulässig wird. Die wesentlichste Herausforderung in diesem Projekt erwarten wir beim Design und Bau des kompakten DRI, bei der Evaluierung der geeigneten Algorithmen zur Signalverarbeitung und für die Unterdrückung der zur hochkohärenten Quelle rück-reflektierten Strahlung sowie im Bestreben des Rauschens innerhalb des Inferometers. Zu den wesentlichen Risiken zählen Instabilitäten durch thermische, akustische und vibrationsbasierte Effekte sowie mögliche unerwünschte physikalische Phänomene in einem "Tandem-Interferometer". Es ist zu erwarten , dass die projektierte Messtechnik, ausgeführt in einem Voll-Faser-Design; starken Einfluß auf innovative technische Bereiche mit hochpräzisem Messbedarf nehmen kann, welche derzeit rasch an Bedeutung gewinnen. Dies ist beispielsweise bei Nanotechnologien, im Life Science Bereich und in der Biotechnologie zu erwarten.