Kohärente optische Frequenzbereichsreflektometrie zur Lokalisierung und Geschwindigkeitsmessung optisch gefangener Mikropartikel in Hohlkernfasern für neuartige Sensorsysteme
Creators: name: Köppel, Max
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: Flying Particle Sensor
Kohärente optische Frequenzbereichsreflektometrie
Optical FMCW
Hollo-core Fiber
Fasersensorik

description: In the past five decades, fiber optic sensor systems have become increasingly important for many applications in industry and for the monitoring of civil infrastructure. Improvements and new developments of laser sources, detectors and in the field of signal processing have repeatedly increased the performance and opened up new application scenarios. However, the established concepts for distributed optical fiber sensing are about to reach fundamental physical limits or have already reached them. In particular, no significant improvements of the spatial resolution can be expected anymore. This, however, is required for monitoring emerging technologies such as battery power storages or power electronics in a decentralized electricity grid. A new generation of optical fibers has the potential to significantly push the existing boundaries and enable new applications and concepts – in optical communication networks as well as for sensor systems. The latest generation of so-called anti-resonant or revolver hollow-core fibers differs fundamentally from conventional fused-silica step-index fibers – as it features a hollow (usually air-filled) core – leading to entirely different properties and characteristics (e. g. in regard to dispersion, non-linearities or losses). On the one hand, these fibers raise the expectations of even more powerful optical communication networks. On the other hand, they also enable entirely new sensor concepts. One such novel sensor concept, which is based on hollow-core fibers is a so-called flying particle sensor. Such a system is based on an optically evitated micro particle which is trapped in front of the fiber and subsequently propelled along the hollow fiber core. As it moves along the fiber, the particle is effected by environmental influences such as temperature, electric field or others. Depending on the particle properties and the measurement configuration, it is possible to reconstruct the measurands at the particle position by monitoring the particle speed, reflectivity, emission at a specific wavelength or the transmission through the fiber. Since such particles usually have a size of a few microns only, a very high spatial resolution can be achieved in principle. At the same time, the low fiber losses potentially enable measurement distances up to the kilometer range. For the implementation of such a sensor system, the particle localization and tracking plays a key role. In order to take advantage of the small particle size, a very accurate and precise localization is required. The low reflectivity of a microparticle makes a reliable detection challenging as it requires a very high sensitivity. At the same time, a sufficiently high repetition rate (about 10 Hz) is necessary in order to track dynamic particle movements. For a practical implementation, the maximum measurement range must cover several meters at least. Also, the localization system must be compatible with the optical trapping setup in order to allow for an easy integration without interfering. As a first step, existing reflectometry concepts were examined and their applicability for particle localization was assessed. Pulsed time domain systems can easily achieve very long measurement ranges but offer a limited spatial resolution too coarse for the intended application. On the contrary, interferometric concepts such as low coherence reflectometry or optical coherence domain reflectometry allow to achieve a very high spatial resolution and sensitivity simultaneously. However, the maximum measurement range is usually limited to several centimeters with these concepts. Based on coherent detection, coherent optical frequency domain reflectometry (COFDR) allows to achieve a high sensitivity as well. Using a wide frequency tuning range, it is possible to achieve a very fine spatial resolution. At the same time, the development of highly coherent tunable laser sources enabled measurement distances up to several kilometers. Because of these unique features and the high flexibility of such a system, COFDR appeared as the most promising approach to realize a particle localization system. A particluar focus of this work was the optimization with regard to sensitivity and spatial resolution in order to meet the challenging requirements. Another important part of this work is the analysis and compensation of effects caused by particle movements. Eventually, such a system was implemented and characterized. The experimentally determined standard deviation for the localization of a static Fresnel-reflection at an air-glass surface (reflectivity ≈3,3 %) was 70 nm. The two-point-resolution of ≈40 µm in air, allows resolving two targets even if they are very close to each other. This is important to reliably track several trapped particles spaced by a few millimeters only. This performance could only be achieved by developing and implementing the corresponding signal processing steps to correct for several disturbances and non-idealities. In order to track frequency deviations during the laser sweep, an auxiliary interferometer was set up. Based on the auxiliary data, the measurement data was corrected. Moreover, algorithms for dispersion correction were implemented and tested. Eventually, the localization of optically trapped microparticles using COFDR was demonstrated for the first time. In order to enable the tracking of propelled particles, the developed COFDR system was extended. First, analytic expressions for the calculation of position and speed from two measurements were derived. Furthermore, a refocusing algorithm was implemented in order to mitigate motion artifacts of moving targets. The resulting – so-called Doppler-COFDR – system allows to independently determine the position and speed of unformly moving particles. Adjusting the measurement bandwidth allows to balance the localization precision against the measurement rate. In order to improve the localization accuracy and robustness for accelerated targets, a Kalman-filter with an adapted kinematic model was implemented and tested. It was experimentally demonstrated, that such a filter yields an effective suppression of systematic errors which would otherwise occur for accelerated targets. Therefore, this allows to analyze dynamic particle movements as well. Eventually, the applicability of the developed COFDR system for a flying particle sensor was demonstrated with a temperature sensing experiment. For the speed based temperature measurements, an optically trapped microparticle was propelled through a heated section of the hollowcore fiber tracking its position and speed. The fiber temperature was then reconstructed from the recorded speed profiles exploiting the temperature dependence of the viscosity of the air inside the hollow core. Strong temperature gradients cause a thermal creep flow and consequently air turbulence inside the hollow fiber core. This causes speed over- and undershooting in such regions – an effect, which had already been noticed and described in literature before. This behavior was also observed in the conducted measurements with a good qualitative agreement, which affirms the capability of the developed system to track dynamic particle motions. For the temperature measurements, a standard deviation of 4,94 °C was achieved for temperatures up to 100 °C. The standard deviation for the entire measurement range up to ca. 200 °C was 10,3 °C. The chosen COFDR parameters yielded a measurement rate of 62,4 Hz, which resulted in one position and speed measurement approximately every 0,5 mm on average for the mean particle speed of ≈30 mm/s. This resembles a spatial resolution, which is significantly higher than that of the established fiber optic sensor systems for distributed temperature measurements. In conclusion, in this work a reliable system for localizing and tracking optically trapped microparticles inside hollow-core fibers was developed and tested successfully. This system allows to easily implement control loops to facilitate automated positioning of optically trapped microparticles and arbitrary fiber locations or movement along the fiber with constant speed, which requires rebalancing of the trapping power depending on the particle position due to fiber losses. Besides the presented speed-based temperature sensing, the developed COFDR system can also be used to realize other measurement principles such as temperature sensing based on the fluorescence lifetime of doped particles or electric field sensing using charged particles. The possibility to trap, move and track a number of particles in a bound array configuration also allows to develop novel sensing principles, which are based on the interaction between several particles. Therefore, the results of this work provide the basis for future development towards the practical use of flying particle sensor systems.
description: Faseroptische Sensorsysteme haben sich innerhalb der vergangenen fünf Jahrzehnte für zahlreiche wichtige Einsatzbereiche in der Industrie und im Bereich der Infrastrukturüberwachung etabliert. Durch Fortschritte bei Laserquellen, Faserkomponenten, Detektoren und nicht zuletzt auch der digitalen Signalverarbeitung konnte die Leistungsfähigkeit bekannter Sensorkonzepte stetig erhöht werden. Dies hat immer wieder neue Anwendungen ermöglicht und weitere Einsatzbereiche erschlossen. Das Potenzial konventioneller, auf Rückstreuprozessen in Glasfasern basierender, verteilter Fasersensorsysteme scheint jedoch zunehmend ausgereizt. Insbesondere ist keine signifikante Verbesserung der örtlichen Auflösung mehr zu erwarten. Dies wäre jedoch für neue Anwendungsszenarien, etwa im Zusammenhang mit der Energiewende notwendig – beispielsweise zur thermischen Überwachung von Batteriespeichern oder Leistungshalbleiterbauelementen in dezentralisierten Energienetzen. Eine neue Generation an Hohlkernfasern – sog. anti-resonant HCFs – hat das Potenzial, viele der bisher gültigen Grenzen zu verschieben und neue Anwendungen und Konzepte zu ermöglichen. Durch das fundamental abweichende Funktionsprinzip weisen diese Fasern grundlegend andere Eigenschaften (z. B. im Hinblick auf Dispersion, Streuung und Nichtlinearitäten) als konventionelle Glasfasern auf. Dies ermöglicht es einerseits, perspektivisch noch leistungsfähigere optische Kommunikationsnetze zu realisieren und eröffnet andererseits auch völlig neue Möglichkeiten für Sensorsysteme. In beiden Bereichen zeichnet sich daher bereits ein Umbruch ab, wenngleich diese Entwicklung noch relativ am Anfang steht. Im Bereich der faseroptischen Sensorik stellen Flying-Particle-Sensorsysteme ein neuartiges, auf Hohlkernfasern basierendes Konzept dar. Bei diesem werden Mikropartikel mit einer optischen Falle gefangen und durch den (in der Regel mit Luft bzw. einem Gas gefüllten) Hohlkern einer HCF bewegt, um währenddessen Umgebungsgrößen entlang der Faser aufzunehmen. Je nach Systemkonfiguration und Eigenschaften der Partikel lassen sich mit einem solchen Sensor neben der Temperatur auch das elektrische Feld oder andere Größen erfassen. Durch die Verwendung von Partikeln mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern lassen sich zudem potenziell sehr hohe örtliche Auflösungen erreichen. Gleichzeitig erlaubt es die geringe Faserdämpfung prinzipiell, zukünftig Messdistanzen bis in den km-Bereich zu verwirklichen. Eine zentrale Rolle für die Realisierung eines solchen Flying-Particle-Sensorsystems stellt die Detektion und Verfolgung der Mikropartikel in der Hohlkernfaser dar. Um mit einem Flying-Particle-Sensor tatsächlich eine hohe örtliche Auflösung zu erreichen, ist eine sehr präzise und hochgenaue Lokalisierung der Mikropartikel in der Hohlkernfaser erforderlich. Aus der geringen Reflektivität der Mikropartikel resultieren dabei hohe Anforderungen an die Sensitivität eines solchen Lokalisierungssystems. Zugleich muss die Messrate zur Aufnahme der Partikeldynamik in der Größenordnung einiger 10 Hz liegen. Die mögliche Messdistanz muss für eine Praxistauglichkeit mindestens einige Meter betragen. Darüber hinaus muss das Lokalisierungssystem natürlich in den optischen Fallenaufbau integriert werden können, ohne diesen zu beeinträchtigen. Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wurden zunächst verschiedene etablierte optische Reflektometrie-Verfahren untersucht und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet. Während verbreitete Zeitbereichs-Pulsverfahren eine sehr große Messdistanz ermöglichen, lässt sich mit diesen nicht die geforderte Ortsauflösung erreichen. Interferometrische Messverfahren – wie Weißlicht-Interferometer oder Spektralbereichsreflektometer – hingegen ermöglichen sowohl eine sehr hohe Sensitivität als auch Ortsauflösung. Jedoch ist der maximale Messbereich bei diesen Verfahren üblicherweise auf wenige Zentimeter beschränkt. Kohärente optische Frequenzbereichsreflektometrie hingegen ermöglicht es, durch kohärente Detektion ebenfalls eine sehr hohe Sensitivität zu erreichen. Gleichzeitig erlaubt es der Einsatz schmalbandiger Laserquellen, Messdistanzen bis in den Bereich einiger Kilometer zu realisieren. Durch den Einsatz breitbandig abstimmbarer Laser sind andererseits auch sehr hohe örtliche Auflösungen möglich. Aufgrund dieser herausragenden Eigenschaften und der großen Flexibilität wurde das Konzept der kohärenten optischen Frequenzbereichsreflektometrie als Ansatz zur Lösung der Problemstellung ausgewählt. Im Fokus stand dabei die Optimierung hinsichtlich erreichbarer Sensitivität und Ortsauflösung. Daneben wurden auch die Auswirkungen von Zielbewegungen ausführlich theoretisch und experimentell untersucht. Schließlich wurde ein COFDR-System aufgebaut und charakterisiert. Dabei wurde experimentell eine Standardabweichung von 70 nm und weniger bei der Lokalisierung einer isolierten Fresnelreflektion an einer Luft-Glas-Grenzfläche (entsprechend einer Reflektivität von ca. 3,3 %) erreicht. Aufgrund der hohen erreichbaren Zwei-Punkt-Ortsauflösung von ca. 40 µm in Luft ist es zugleich möglich, sehr nahe beieinander liegende Ziele aufzulösen. Um diese Leistungsdaten zu erreichen, war zunächst die Entwicklung und Implementierung einer angepassten Signalverarbeitung zur digitalen Korrektur von Störeinflüssen notwendig. Hierzu wurden mittels eines Hilfsinterferometers Frequenzabweichungen während des Abstimmvorgangs erfasst. Basierend auf diesen Informationen erfolgte dann eine Korrektur der Rohdaten. Darüber hinaus wurden Algorithmen zur Korrektur des Einflusses chromatischer Dispersion implementiert und getestet. Schließlich konnte die erstmalige Lokalisierung optisch gefangener Mikropartikel mittels kohärenter optischer Frequenzbereichsreflektometrie demonstriert werden. Um auch bewegte Partikel verfolgen zu können, wurde das entwickelte COFDR-System entsprechend erweitert. Hierzu wurden analytische Formeln zur Berechnung der Distanz und Geschwindigkeit eines gleichförmig bewegten Ziels hergeleitet und die notwendige Signalverarbeitung zur Kompensation von Bewegungsartefakten implementiert. Mit diesem – als Doppler-COFDR bezeichneten System – ist eine unabhängige Lokalisierung und Geschwindigkeitsmessung bewegter Ziele möglich. Die Anpassung der Messbandbreite erlaubt dabei eine flexible Abwägung zwischen Lokalisierungspräzision und Messrate. Zur Verbesserung der Ergebnisse bei beschleunigten Bewegungen und zur Erhöhung der Robustheit wurde darüber hinaus ein Kalman-Filter mit angepasstem Bewegungsmodell implementiert. Wie experimentell nachgewiesen wurde, werden damit systematische Fehler, welche beim Doppler-COFDR bei beschleunigten Bewegungen auftreten, wirkungsvoll unterdrückt. Dies ermöglicht die Untersuchung der Dynamik optisch gefangener Partikel. Zum Beweis der Eignung des Systems für einen Flying-Particle-Sensor wurde anschließend verteilte Temperatursensorik basierend auf Geschwindigkeitsmessungen von optisch gefangenen Mikropartikeln in Hohlkernfasern demonstriert. Hierbei wurden optisch gefangene Mikropartikel in einer HCF wiederholt durch ein Heizelement bewegt und währenddessen deren Position und Geschwindigkeit gemessen. Aus den Geschwindigkeitsprofilen konnte dann die Temperatur rekonstruiert werden. Bei diesem Messprinzip führen große Temperaturgradienten aufgrund thermodynamischer Luftströmungen im Hohlkern der Faser zu Geschwindigkeitsüber- bzw. -unterschwingern. Dieser bereits aus der Literatur bekannte Effekt konnte – mit guter qualitativer Übereinstimmung – ebenfalls beobachtet werden. Dies bestätigt die Eignung des entwickelten Systems zur Untersuchung dynamischer Bewegungen. Die erreichte Standardabweichung bei der Temperaturmessung betrug 4,94 °C für den Temperaturbereich bis 100 °C. Über den gesamten Messbereich bis ca. 200 °C wurde eine Standardabweichung von 10,3 °C ermittelt. Mit den gewählten Parametern wurde eine Messrate von 62,4 Hz erreicht. Bei der durchschnittlichen Partikelgeschwindigkeit von ca. 30 mm/s resultiert hieraus etwa ein Positions- und Geschwindigkeitsmesswert pro 0,5 mm. Dies ermöglicht eine mit etablierten faseroptischen Sensorsystemen zur verteilten Temperaturmessung bislang nicht erreichbare örtliche Auflösung. Somit wurde das Ziel der Arbeit – die Realisierung einer zuverlässigen Lokalisierung und Verfolgung von optisch gefangenen Mikropartikeln in photonischen Hohlkernfasern – erreicht und die Funktion des Systems im Rahmen eines Demonstrationsexperiments unter Beweis gestellt. Aufbauend auf der entwickelten Lokalisierungslösung kann in zukünftigen Arbeiten eine Regelung zur exakten Positionierung des Partikels an einem beliebigen Ort entlang der Faser oder zur Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit über größere Distanzen implementiert werden. Auch eine automatische Anpassung der Leistung des Fanglasers zum Ausgleich der Faserdämpfung kann bei der genauen Kenntnis der Partikelposition einfach realisiert werden. Neben der vorgestellten, geschwindigkeitsbasierten Temperaturmessung kann das entwickelte System natürlich auch in Kombination mit anderen Messprinzipien – etwa der Temperaturmessung basierend auf der Floureszenzlebensdauer dotierter Mikropartikel oder der Messung des elektrischen Feldes mittels geladener Partikel – eingesetzt werden. Durch die Möglichkeit mehrere Mikropartikel im Verbund einzusetzen, können auch neuartige Sensorprinzipien basierend auf Wechselwirkungen zwischen mehreren Partikeln erforscht werden. Diese Ergebnisse schaffen somit die Grundlage für die weitere Entwicklung von Flying-Particle-Sensorsystemen.