DE102007009560A1

DE102007009560A1 - Spektroskopievorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE102007009560A1
Application number: DE200710009560
Authority: DE
Inventors: Benjamin Scherer; Jürgen WÖLLENSTEIN; Wenzel Salzmann; Matthias Weidemüller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: DE102007009560B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektroskopievorrichtung mit einem primären Laser, mit dem ein Single-Mode-Lasersignal erzeugbar ist, und mit einem sekundären Laser, in dessen Resonator ein zu untersuchendes Medium einbringbar ist, wobei das Single-Mode-Lasersignal des primären Lasers in den sekundären Laser eingekoppelt wird, derart, daß die Frequenzen des Single-Mode-Lasersignals des primären Lasers und eines durch dieses Lasersignal des sekundären Lasers übereinstimmen, wobei eine Wellenlänge des Lasersignals des sekundären Lasers über das Single-Mode-Lasersignal des primären Lasers steuerbar und über das Lasersignal des sekundären Lasers eine Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums messbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektroskopievorrichtung und ein entsprechendes Spektroskopieverfahren.
Die vorliegende Spektroskopievorrichtung und das vorliegende Spektroskopieverfahren sind insbesondere anwendbar zur Bestimmung von geringen Analytkonzentrationen und zur hochsensitiven Messung von Spurenkonzentrationen und zu deren stoffspezifischen Bestimmung.
Die vorliegende Spektroskopievorrichtung und das vorliegende Spektroskopieverfahren nutzen grundsätzlich ein Single-Mode Intracavity Spektroskopie-Verfahren. Intracavity Spektroskopievorrichtungen und -verfahren umfassen einen Detektor zur hochsensitiven, stoffspezifischen Konzentrationsmessung von Spurenkonzentrationen und sind daher in besonderem Maße zur Messung von nur in geringen Mengen vorliegenden Gasen und Flüssigkeiten geeignet. Dabei ist eine Konzentrationsmessung für all diejenigen Analyte möglich, deren Absorptionslinien in demjenigen spektralen Bereich liegen, der durch den Laser der Vorrichtung abgedeckt ist.
Die Sensitivität von Absorptionsmessungen kann mit der Methode der Intracavity Spektroskopie, bei der das Absorptionsmedium direkt in dem Resonator des Lasers platziert wird, enorm gesteigert werden. Im folgenden wird die Methode und deren Vor- und Nachteile kurz erläutert.
Die Absorption in einem Medium wird durch das Beer-Lambert-Gesetz beschrieben: I(ν) = I0(ν)exp(–κ(ν)L)wobei I₀ die einfallende Intensität, L die Absorberlänge und κ der Absorptionskoeffizient ist, der sich aus der Dichte der absorbierenden Moleküle und dem Wirkungsquerschnitt für Absorption zusammensetzt. Bei bekanntem k kann man bei Beobachtung eines Intracavityabsorptions-Signals auf dessen effektive Absorptionslänge schließen:
Hierbei ist M_γ die Photonenzahl ohne zusätzliche Intracavity-Absorptionsverluste und M_γ+Δγ die Photonenzahl mit einem Absorptionsmedium im Laserresonator, das die zusätzlichen Verluste Δγ verursacht. Die effektive Absorptionslänge, in der Literatur auch „spektrale Empfindlichkeit" genannt, wird oft als Definition der Sensitivität angegeben, da sich damit die Sensitivitäten unterschiedlicher Methoden der Absorptionsspektroskopie, die unterschiedlich stark auf den gleichen Absorptionskoeffzienten k reagieren, insbesondere der direkten Spektroskopie mit Platzierung des Absorbers außerhalb des Laserresonators, vergleichen lassen. Diese effektive Länge ist auch gleichzeitig das theoretische Sensitivitätsmaximum.
Mit Kenntnis der tatsächlichen Absorptionslänge (z. B. der Länge der Absorptionszelle) kann der sog. „Enhancement-Faktor" ς, der die Effektivität der Intracavity Spektroskopie gegenüber der Platzierung außerhalb des Resonators angibt, ausgerechnet werden:
Da unter experimentellen Bedingungen nicht nur die Photonenzahl in der lasenden Mode detektiert wird, sondern auch, sofern das Ausgangsignal nicht durch Verwendung eines Spektrometers oder Monochromators spektral gefiltert wird, die spontan emittierte Photonenzahl in andere Moden detektiert, muß die effektive Länge um die spontane Emission erweitert werden:
Dabei soll der Index q die einzelnen Moden durchnummerieren, I ist dabei die lasende Mode und Aq der Mittelwert der Anzahl der spontan emittierten Photonen in die Mode q. Besonders in dem für die Intracavity Spektroskopie wichtigen Bereich nahe der Laserschwelle erreicht die Summe der spontan emittierten Photonen in die anderen Moden in Bezug auf die Photonenzahl der lasenden Mode eine relevante Grösse, so dass die effektive Länge, also die Sensitivität des Systems stark reduziert werden kann. Es ist daher wünschenswert, die spontane Emission in andere Moden auch nahe der Laserschwelle zu reduzieren, wodurch sich die experimentell erreichbare Sensitivität dem theoretischen Maximum angleichen würde, ohne dass ein spektrales Filtern des Ausgangssignals nötig wäre.
Grundsätzlich gleichen sich bei einem Laser in stationären Betrieb (Dauerstrichlaser) die Verstärkung und die Verluste des Lasers gerade aus. Durch Platzierung eines Absorptionsmediums im Resonator des Lasers werden die Verluste des Lasers in dem Frequenzbereich der Absorptionsfrequenz der zu untersuchenden Substanz abhängig von der Konzentration der Substanz aber erhöht und das Gleichgewicht zwischen Verstärkung und Verlusten gestört. In Bereichen weit oberhalb der Laserschwelle, in denen die ungesättigte Verstärkung die Resonatorverluste inklusive der zusätzlichen Intracavity-Absorptionsverluste weit übersteigt, kann der Laser die zusätzlichen Absorptionsverluste durch eine entsprechende Erhöhung der Verstärkung kompensieren und die Reduzierung der Ausgangsleistung ist insignifikant. In diesem Fall ist die Sensitivität des Systems sogar weitaus kleiner als bei Platzierung des Absorbers außerhalb des Resonators, d. h. man erhält einen Enhacement-Faktor von ξ « 1.
Da durch die zusätzlichen schmalbandigen Intracavity-Absorptionsverluste die lasende Mode eine Benachteiligung im Modenwettbewerb erhält, ist eine hohe Nebenmodenunterdrückung notwendig, um Modensprünge zu verhindern. Es ist daher wünschenswert, eine hohe Nebenmodenunterdrückung zu erreichen.
Nur bei reduzierter Pumprate, nämlich nahe der Schwellpumprate, kann die Verstärkung nur teilweise die Verluste durch Intracavityabsorption kompensieren, so daß sich eine erhebliche Reduzierung der Ausgangsleistung bei der Intracavity-Absorptionsfrequenz ergibt, die für die erhebliche Erhöhung der Sensitivität gegenüber der Platzierung des Absorbers außerhalb des Resonators verantwortlich ist. Es ist bekannt, daß die Sensiti vität nahe der Schwellpumprate einen Sättigungswert erreicht, d. h. es gibt einen Wert der Pumprate nahe der Laserschwelle, an dem die Sensitivität ein Maximum erreicht, dessen Größe und Position von der Größe der Resonatorverluste und der Größe des Intracavity-Absorptionskoeffizienten abhängt. Die Berechnung der Sensitivität aus den Ratengleichungen kann mithilfe der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Laser intracavity absorption spectroscopy", V.M. Baev, T. Latz, P.E. Toschek in der Zeitschrift „Applied Physics", Band B 69, Seiten 171-202 (Veröffentlichungsjahr 1999) nachvollzogen werden.
Für einen AlGaAs-Diodenlaser ist bekannt, daß das Sensitivitätsmaximum besonders bei geringen Analytkonzentrationen sehr nahe an der Laserschwelle, hier im Subpromillebereich oberhalb der Laserschwelle, liegt, wo ein stabiler Singlemode-Betrieb des Lasers meist nicht möglich ist. Es ist daher wünschenswert, die Laserschwelle zu reduzieren.
Für einen AlGaAs-Diodenlaser ist weiterhin bekannt, daß das Sensitivitätsmaximum größer, breiter und dabei weiter von der Laserschwelle weg ist, je geringer die Verluste des Lasers sind. Für Singlemode-Intracavity Spektroskopie mit Diodenlasern wurde aber meist ein Diodenlaser mit externem Resonator verwendet, der als frequenzselektives Element ein Gitter enthält, wodurch die Verluste des Lasers gesteigert werden.
Ein Beispiel für die Intracavityspektroskopie mit einem Diodenlaserist beispielsweise aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Intracavity diode laser for atmospheric field measurements", W. Gurlit, J.P. Burrows, H. Burkhard, R. Böhm, V.M. Baev and P.E. Toschek in der Zeitschrift „Infrared Physics and Technology", 37, Seiten 95-98 (Veröffentlichungsjahr 1996) bekannt, welche insbesondere einen herkömmlichen External Cavity Diodenlaser (ECDL) betrifft. Dieser umfaßt einen externen Resonator, in den das zu untersuchende Gas eingebracht wird, wobei als frequenzselektives Element ein Gitter verwendet wird. Der Diodenlaser wird entweder elektrisch oder optisch gepumpt und muß sehr nahe an seiner Laserschwelle betrieben werden (oft im Subpromillebereich an der Laserschwelle).
Jedoch ist ein Single-Mode Betrieb dieses Diodenlasers gerade nahe an der Laserschwelle nur sehr schwierig steuerbar, da der Injektionsstrom sehr präzise geregelt werden muß, und da der Laser dennoch in der Wellenlänge durchstimmbar sein muß, um ihn über die Absorptionslinie der zu detektierenden Substanz fahren zu können. Je näher an der Laserschwelle der Laser betrieben werden muß, desto instabiler ist der Singlemode Betrieb.
Außerdem weisen Diodenlaser in der Regel ein sehr breites Verstärkungsprofil (vorliegend ca. 20 nm) auf, wodurch Modensprünge, welche durch die zusätzlich auftretenden Intracavity – Verluste und den Betrieb nahe der Laserschwelle hervorgerufen werden, begünstigt werden. Springt der Diodenlaser während der Messung aufgrund der zusätzlichen Intracavity-Verluste auf eine andere Mode, welche keine Intracavity-Verluste aufweist, so kann kein Absorptionssignal mehr beobachtet werden, weshalb eine Konzentrationsmessung nicht mehr möglich ist. Daher ist für zuverlässige Konzentrationsmessungen eine hohe Nebenmodenunterdrückung notwendig.
Zudem wird durch das breite Verstärkungsprofil die spontane Emission in die anderen Moden besonders groß, wodurch eine Sensitivität der Single-Mode Intracavity Spektroskopie drastisch reduziert wird.
Allgemein gilt, daß die Sensitivität der Single-Mode Intracavity Spektroskopie um so größer ist, je kleiner die Verluste des Intracavity-Lasers sind.
Außerdem gilt allgemein, daß ein Sensitivitätsmaximum um so näher an der Pumpschwelle des Lasers ist, je größer die Verluste des Intracavity-Lasers sind. Die Verluste dieses Lasers werden jedoch gerade bei Verwendung eines frequenzselektiven Elementes im Resonator stark vergrößert, wodurch ein Betrieb des Single Mode Intracavity Systems stark erschwert und die Sensitivität stark reduziert wird.
Aufgrund der vorgenannten Probleme gelang in der erwähnten Veröffentlichung „Intracavity diode laser for atmospheric field measurements", W. Gurlit, J.P. Burrows, H. Burkhard, R. Böhm, V.M. Baev and P.E. Toschek in der Zeitschrift „Infrared Physics and Technology", 37, Seiten 95-98 (Veröffentlichungsjahr 1996) lediglich der Nachweis des grundlegenden Effektes der Sensitivitätserhöhung mittels Single-Mode Intracavity Spektroskopie am Beispiel eines Breitbandabsorbers. Für Messungen schmaler Absorptionslinien schien die Single-Mode Intracavity Spektroskopie bisher als nicht geeignet, wie auch in der vorgenannten wissenschaftlichen Veröffentlichung angenommen. Außerdem war aufgrund der spontanen Emission in andere Moden und der hohen Resonatorverluste durch das frequenzselektive Element die bisher erreichbare Sensitivitätserhöhung im Vergleich zu dem theoretisch möglichen Wert sehr klein. Wie in der erwähnten Veröffentlichung angegeben, wurde aufgrund der Instabilität nahe der Laserschwelle und der spontanen Emission lediglich ein Enhancementfaktor von ca. 100 erreicht.
In der Diplomarbeit „Absorptionsspektroskopie im Resonator eines Einmoden-Diodenlasers" von Naoko Okabe am Institut für Laser-Physik der Universität Hamburg (Dezember 1993) gelang mit einem ähnlichen Aufbau die Messung der Intracavityabsorption an einer schmalbandigen Absorptionslinie von Rubidium bei 780nm. Hier wurde ein Enhancementfaktor von 145 erreicht, allerdings war dafür die Verwendung eines Monochromators notwendig. Diese Ergebnisse wurden auf der Frühjahrstagung der AG Quantenoptik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vorgestellt (siehe: N.Okabe, R.Böhm, V.M.Baev, P.E.Toschek, "Absorptions-Spektroskopie im Resonator eines Einmoden-Dioden-Lasers", Frühjahrstagung der AG Quantenoptik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Berlin, 15.3.-18.3. 1993; Verhandl. DPG (VI) 28, 381-382, Q6.8 (1993))
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spektroskopievorrichtung und ein Spektroskopieverfahren anzugeben, mit denen eine Single-Mode Intracavity Spektroskopie möglich ist, die eine zuverlässige Konzentrationsmessung selbst bei sehr geringen Analytkonzentrationen ermöglicht.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Spektroskopievorrichtung mit einem primären Laser, mit dem ein Single-Mode Lasersignal erzeugbar ist, und mit einem sekundären Laser, in dessen Resonator ein zu untersuchendes Medium einbringbar ist, wobei das Single Mode Lasersignal des primären Lasers in den sekundären Laser derart eingekoppelt wird, daß die Frequenzen des Single-Mode Lasersignals des primären Lasers und eines durch dieses angeregten Lasersignal des sekundären Lasers übereinstimmen, wobei eine Wellenlänge des Lasersignals des sekundären Lasers mittels des Single-Mode Lasersignals des primären Lasers steuerbar und über das Lasersignal des sekundären Lasers eine Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums messbar ist.
Wie dargelegt, erreicht besonders in dem für die Intracavity Spektroskopie wichtigen Bereich nahe der Laserschwelle die Summe der spontan emittierten Photonen in die anderen Moden in Bezug auf die Photonenzahl der lasenden Mode eine relevante Grösse, so dass die effektive Länge, also die Sensitivität des Systems stark reduziert werden kann. Durch die vorliegende Erfindung wird die spontane Emission in andere Moden auch nahe der Laserschwelle stark reduziert, wodurch sich die experimentell erreichbare Sensitivität dem theoretischen Maximum angleicht, ohne dass ein spektrales Filtern des Ausgangssignals nötig ist.
Die vorliegende Erfindung erreicht eine hohe Nebenmodenunterdrückung, wodurch die dargelegte Benachteiligung der lasenden Mode im Modenwettbewerb durch die zusätzlichen schmalbandigen Intracavity-Absorptionsverluste reduziert und Modensprünge verhindert werden.
Für einen AlGaAs-Diodenlaser bei einer tatsächlichen Absorptionslänge von 1 m ist wie dargelegt bekannt, daß das Sensitivitätsmaximum besonders bei geringen Analytkonzentrationen sehr nahe an der Laserschwelle, hier im Subpromillebereich oberhalb der Laserschwelle, liegt, wo ein stabiler Singlemode-Betrieb des Lasers meist nicht möglich ist. Dieses Problem wir durch die vorliegende Erfindung gelöst, da durch die Technik des sog. „Injection Locking" die Laserschwelle reduziert werden kann, wobei das Sensitivitätsmaximum knapp über der ursprünglichen Laserschwelle ohne Injection Locking bleibt und dadurch der Laser prinzipiell stabiler im Singlemode-Betrieb betrieben werden kann.
Wie dargelegt, wurde für Singlemode-Intracavity Spektroskopie mit Diodenlasern meist ein Diodenlaser mit externem Resonator verwendet, der als frequenzselektives Element ein Gitter enthält. Da in vorliegender Erfindung auf die Verwendung eines frequenzselektiven Elements verzichtet werden kann, sind die Verluste de Lasers weitaus geringer, wodurch sich die Sensitivität stark erhöht und das Sensitivitätsmaximum breiter ist und weiter von der Laserschwelle entfernt liegt, wodurch weitaus geringere Analytkonzentrationen messbar werden.
Da durch vorliegende Erfindung aufgrund der Unterdrückung der spontanen Emission keine spektrale Filterung des Lasersignals mittels eines Spektrometers, Fabry-Perot- Interferometers oder Monochromators nötig ist, kann ein Intracavity Spektroskopiesystem als kompaktes, mobil einsetzbares Messgerät realisiert werden.
Dabei kann der primäre Laser (Masterlaser) zwar eine geringe Leistung, aber eine schmalbandige und frequenzstabile Abstrahlung aufweisen. Der sekundäre Laser (Slave-Laser) kann leistungsstark, aber für sich alleine genommen (d. h. bei Eigenanregung) eine nur geringe Frequenzstabilisierung aufweisen oder im Multimode Betrieb laufen. Bei der vorliegenden Erfindung induziert die Strahlung des Master-Lasers eine Emission des Slave-Lasers. Dadurch, daß die Strahlung des primären Lasers (Masterlasers) eine Emission des sekundären Lasers (Slave Lasers) induziert, ergibt sich ein Single-Mode Intracavity-System, das stabil im Single-Mode Betrieb läuft, sehr nahe an der Laserschwelle betrieben werden kann und dabei trotzdem noch in der Wellenlänge durchstimmbar ist, das sehr kleine Resonatorverluste hat (da kein frequenzselektives Element im Resonator vorgesehen ist) und ein schmalbandiges Verstärkungsspektrum hat, so daß keine Spontanemission in die anderen Moden stattfinden kann. Aufgrund der geringen Verluste ergibt sich eine hohe Sensitivität des Systems. Die vorliegende Spektroskopievorrichtung und das vorliegende Spektroskopieverfahren werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung aufgrund der vorstehend erläuterten Art der Induzierung des sekundären Lasersignals auch als Injection Seeded Intracavity Spectroscopy – Verfahren (nachfolgend auch abgekürzt: „ISIS"-Verfahren) bezeichnet.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der sekundäre Laser (Slave-Laser) über den primären Laser (Master-Laser) zur Messung der Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums in der Wellenlänge durchstimmbar. Zudem kann eine Einrichtung zur Frequenzmodulation des Lasersignals des primären Lasers (des Masterlasers) vorgesehen sein. Weiterhin kann eine Einrichtung zur Messung einer Abklingzeit einer Erregung der Photonen im Resonator des sekundären Lasers (Slave-Laser) vorgesehen sein. Des weiteren kann ein Detektor zur Messung des Absorptionssignals vorgesehen sein. Außerdem kann ein Peltierelement zur Temperaturstabilisierung der primären und sekundären Laser (des Master/Slave-Lasersystems) vorgesehen sein.
Zudem kann ein Diodenlaser, ein Halbleiterlaser, ein Gaslaser oder ein Festkörperlaser als sekundärer Laser (Slave-Laser) verwendet werden. Daneben kann der sekundäre Laser (Slave-Laser) einen Ringresonator aufweisen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind eine auf Seiten des primären Lasers (Master-Laser) angeordnete Lichteintrittsfläche des sekundären Lasers reflexionsbeschichtet und eine auf Seiten des Resonators angeordnete Lichtaustrittsfläche des sekundären Lasers antireflexionsbeschichtet, wobei zudem ein Resonatorspiegel vorgesehen ist, und wobei die Reflexionsschicht der Lichteintrittsfläche des sekundären Lasers und der Resonatorspiegel den Resonator(raum) bilden, in den eine Absorptionszelle einbringbar ist, welche das zu untersuchende Medium enthält.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der sekundäre Laser auf der Lichteintrittsfläche eine Hochreflexionssschicht und auf der Lichtaustrittsfläche eine Antireflexionsschicht auf, und bildet zusammen mit dem Resonatorspiegel den Resonator(raum), in den das zu untersuchende Medium eingebracht wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsflache des Resonators identisch und die Spektroskopievorrichtung weist zudem einen Resonatorspiegel und einen Strahlteiler auf, mit dem das Single-Mode-Lasersignal in den sekundären Laser einkoppelbar und das Absorptionssignal an den Detektor leitbar sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der sekundäre Laser auf der Lichteintrittsseite und der Lichtaustrittsseite offen, wobei beide Seiten mit einer Antireflexionsschicht versehen sind, wobei der sekundäre Laser in einen Resonator eingebracht wird, der auch die untersuchende Substanz enthält.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der sekundäre Laser in einem Resonator ohne frequenzselektives Element untergebracht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein beidseitig offener Halbleiterlaser als sekundärer Laser verwendet, der auf der Lichteintrittsfläche reflexionsbeschichtet und auf der Lichtaustrittsfläche antireflexionsbeschichtet ist, wobei dieser Halbleiterlaser mit einem Resonatorspiegel einen externen Resonator bildet, in dem die zu untersuchende Substanz eingebracht wird, und wobei die reflexionsbeschichtete Lichteintrittsfläche den Resonatorspiegel bildet, durch den das Single-Mode Lasersignal des primären Lasers eingekoppelt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der sekundäre Laser in eine optische Hohlfaser eingesetzt, an deren Ende ein Resonatorspiegel eingesetzt ist, wobei die Hohlfaser den Resonator bildet, in den die zu untersuchende Substanz (das zu untersuchende Medium) eingebracht wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Länge des Resonators, insbesondere über ein Piezoelement, variierbar, wobei eine Steuerelektronik auf das Durchstimmverhalten des primären Lasers und die Länge des Resonators auf die Frequenz des primären Lasers abgestimmt sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt die Spektroskopievorrichtung ein Gehäuse mit Ventil, in dem die Spektroskopievorrichtung oder Teile derselben zusammen mit dem zu untersuchenden Medium (die zu untersuchende Substanz) aufgenommen sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist als primärer Laser ein External Cavity Diodenlaser (ECDL) oder ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL), ein Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) oder ein DFB-Laser verwendet. Jede Art frequenzdurchstimmbarer Singlemode Laserquelle kann verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht gelöst durch ein Spektroskopieverfahren mit den Schritten:
Anordnen eines zu untersuchenden Mediums in einem Resonator eines sekundären Lasers,
Erzeugen eines Single-Mode Lasersignals mit einem primären Laser und Einkoppeln dieses Signals in den sekundären Laser, so daß der sekundäre Laser zur Abgabe eines sekundären Lasersignals angeregt wird,
Steuerung einer Wellenlänge des vom sekundären Laser abgegebenen Signals über den primären Laser und
Messung einer Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums über das Lasersignal des sekundären Lasers.
Vorzugsweise wird der sekundäre Laser über den primären Laser in der Wellenlänge durchgestimmt zur direkten Spektroskopie der Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums.
Weiterhin kann eine Frequenzmodulation des primären Lasers vorgesehen sein, wodurch eine Frequenzmodulation des sekundären Lasers erzeugt und eine Sensitivität des Spektroskopieverfahrens erhöht wird.
Weiterhin kann eine direkte Frequenzmodulation des sekundären Lasers über die Modulation des Injektionsstroms des sekundären Lasers erfolgen.
Des weiteren kann eine Messung zur Abklingzeit der Erregung der Photonen im Resonator des sekundären Lasers vorgesehen werden zur Erhöhung der Sensitivität des Spektroskopieverfahrens.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach dem vorliegenden Injection Seeded Intracavity Spektroskopieverfahren (ISIS-Verfahren),
2 bis 6 weitere Ausführungsbeispiele des ISIS-Verfahrens, vorliegend ohne Absorptionszelle, bei denen entweder sämtliche Komponenten oder nur einzelne Komponenten in einem Gehäuse aufgenommen sind, in die das zu untersuchende Medium (die zu untersuchende Substanz) eingebracht wird,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel des ISIS-Verfahrens mit einem Strahlteiler,
8 bis 11 weitere Ausführungsbeispiele des ISIS-Verfahrens ohne Absorptionszelle,
12 ein Ausführungsbeispiel des ISIS-Verfahrens, bei dem drei Resonatorspiegel einen Ringresonator bilden,
13, 14 weitere Ausführungsbeispiele des ISIS-Verfahrens, bei dem sowohl eine Lichteintrittsfläche als auch eine Lichtaustrittsfläche des sekundären Lasers (Slave-Laser) mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen sind, und der sekundäre Laser in einen Resonator eingesetzt wird, und
15 bis 18 Ausführungsbeispiele des ISIS-Verfahrens mit unterschiedlich aufgebauter Steuerelektronik.
Bei den in den 1 bis 18 gezeigten Ausführungsbeispielen des ISIS-Verfahrens wird eine Gasmessung mit der Methode der Intracavity-Spektroskopie durchgeführt, die mit dem Verfahren des Injection Seeding bzw. Injection Locking kombiniert ist.
Beim „Injection Locking" oder „Injection Seeding" erfolgt eine Kopplung des primären Lasers mit dem sekundären Laser bezeichnet. Das „Injection Locking" oder „Injection Seeding" ist eine effektive Methode zur Rauschreduzierung eines Lasers, für Single-Mode Betrieb bei High-Speed-Modulation, Reduzierung der Linienbreite, Reduzierung von Frequenz-Chirping, zur Erzeugung von optischer Frequenz- und Phasenmodulation, zur Verstärkung des optischen Freqenzmodulationssignals oder als Methode zur Untersuchung der Eigenschaften eines Lasers.
Aufgrund der erzielbaren Rauschreduzierung, der auftretenden Verstärkungsänderung am sog. Locking-Point und der Reduktion der Laserschwelle ist die Technik des Injection Locking für die Anwendung in der Singlemode Intracavity Spektroskopie von großer Bedeutung, da dadurch ein stabiler Singlemode-Betrieb nahe der ursprünglichen Laserschwelle eine Sensitivitätserhöhung aufgrund verminderter spontaner Emission und eine hohe Nebenmodenunterdrückung erreicht werden kann.
Koppelt man ein Lasersignal mit der Frequenz ω_p eines primären Lasers in einen sekundä ren Laser, der anfänglich auf einer Frequenz ω_s oszilliert und stimmen beide Frequenzen innerhalb des sog. „Locking Range", der von dem Verhältnis der Intensitäten der beiden Laser abhängt, überein, so stiehlt das induzierte Lasersignal des primären Lasers der Laseroszillation des sekundären Lasers soviel Besetzungsinversion und damit Verstärkung, dass der sekundäre Laser dazu gezwungen wird, ausschließlich auf der Frequenz ω_p des primären Lasers zu oszillieren, wobei eine extrem hohe Nebenmodenunterdrückung erreicht wird.
Verändert man nun die Frequenz ω_p des primären Lasers, so wird dabei auch die Frequenz des sekundären Lasers verändert, sofern die Frequenz ω_p stets mit einer Resonanzfrequenz des sekundären Lasers übereinstimmt. Die untere Grenze des sog. Locking Range wird als Locking-Point bezeichnet. Auf diese Weise kann der sekundäre Laser ohne frequenzselektives Element stabil im Singlemode-Betrieb betrieben werden, wodurch die Verlustrate des sekundären Lasers enorm reduziert werden kann, was zu einer erheblichen Sensitivitätserhöhung führen kann.
Dabei tritt am sog. Locking-Point eine Reduzierung der Verstärkung sowie eine Reduzierung der Laserschwelle auf. Dieses Phänomen ist für die Singlemode Intracavity Spektroskopie von Vorteil, da aufgrund der Reduktion der Laserschwelle der Slave-Laser sogar unterhalb seiner intrinsischen Laserschwelle stabil im Singlemode-Betrieb betrieben werden kann. Dadurch wird ein Problem der Singlemode Intracavity Spektroskopie, der nötige stabile Singlemode-Betrieb sehr nahe der intrinsischen Laserschwelle, behoben. Da man daher den sekundären Laser („Intracavity-Laser” oder „Slave-Laser") beliebig nahe an seiner intrinsischen Laserschwelle im Singlemode-Betrieb betreiben kann, wird es möglich, auch extrem geringe Analytkonzentrationen mit einer sehr hohen Sensitivität zu messen. Die Verstärkungsreduktion am Locking-Point führt zusätzlich dazu, dass der Intracavity-Laser die zusätzlichen Verluste durch Intracavity-Absorption nicht durch zusätzliche Verstärkung kompensieren kann.
Das hieraus gebildete ISIS-Verfahren mit einem Injection Seeded Single-Mode Laser ist dadurch gekennzeichnet, daß nicht, wie bei der herkömmlichen Intracavitiy Spektroskopie, nur ein Laser verwendet wird, in dessen Resonator die zu untersuchende Probe eingebracht wird, sondern daß vielmehr ein Master-Slave-Laser-System nach der Methode des Injection-Seeding/Injection-Locking verwendet wird.
Dabei wird die zu untersuchende Substanz in den Resonator des Slave-Lasers (sekundärer Laser) eingebracht. Der Master-Laser (primärer Laser) erzeugt das Single-Mode Signal, wobei das durchstimmbare Single-Mode Signal des Master-Lasers in den Slave-Laser, der den eigentlichen Intracavity Laser (aktives Medium) darstellt, injiziert. Der Slave-Laser ist somit ein Seeded External Cavitiy Laser, in dessen Resonator das Absorptionsmedium (die zu untersuchende Substanz) eingebracht wird.
Der Master-Laser dient daher nicht einem optischen Pumpprozeß, sondern dient vielmehr der Frequenzstabilisierung, der Stabilisierung des Single-Mode Betriebs, der Verlustreduzierung, der Reduktion der Verstärkung am Locking-Point und der Reduktion der Laserschwelle des Slave-Lasers.
Vorzugsweise kann als Slave-Laser (aktives Medium, sekundärer Laser) ein einseitig entspiegelter Diodenlaser verwendet werden, dessen externer Resonator kein frequenzselektives Element enthält, sondern mit der Methode des Injection Seeding im Single-Mode Betrieb betrieben wird.
Folglich wird bei der vorliegenden Methode des Injection Seeding der von dem sogenannten Master-Laser erzeugte Laserstrahl in den sogenannten Slave-Laser eingekoppelt. Falls die Frequenz des Master-Lasers innerhalb des sogenannten Locking Range mit der Frequenz des frei schwingenden Slave-Lasers übereinstimmt, kann der Slave-Laser dabei als angetriebener harmonischer Oszillator betrachtet werden, der in allen Eigenschaften mit dem Master-Laser übereinstimmt, mit Ausnahme der Ausgangsleistung.
Dieses Verfahren wird als Injection Locking bezeichnet und ist nicht zu verwechseln mit einem optischen Pumpprozeß, da anders als beim optischen Pumpen nämlich die Frequenz des Masters und des Slave-Lasers übereinstimmen, so daß keine Besetzungsinversion mit Hilfe des Maser-Lasers erzeugt werden kann.
Aufgrund der vorliegend verwendeten Methode des Injection Seeding besitzt der Intracavity Laser im Seedbetrieb eine sehr schmale Bandbreite (bzw. ein durch den Master-Laser stark verschmälertes Verstärkungsprofil), wobei die Bandbreite einer Linienbreite des Masterlasers entspricht. Zudem kann der Slave-Laser weit unterhalb seiner intrinsischen Laserschwelle betrieben werden, da seine Resonatorverluste teilweise durch Photonen, die durch den Master-Laser injiziert werden, kompensiert werden.
Sowohl durch das Fehlen eines frequenzselektiven Elementes als auch durch die Methode des Injection-Seedings an sich werden die Verluste des Intracavity-Lasers stark reduziert, wodurch die Sensitivität der Meßanordnung erhöht und das Sensitivitätsmaximum etwas weiter von der Laserschwelle weggeschoben wird.
Aufgrund des sehr schmalen Verstärkungsprofiles (wenige MHz oder sogar darunter) läuft der Slave-Laser extrem stabil im Single-Mode-Betrieb, auch sehr nahe an der Laserschwelle. Dabei kann der Slave-Laser präzise über seiner intrinsischen Laserschwelle betrieben werden, da man die Laserschwelle über die Intensität des Master-Lasers verschieben kann, und es so möglich ist, die Laserschwelle auf einen Wert unterhalb der intrinsischen Laserschwelle einzustellen.
Die Laserschwelle im Seedbetrieb liegt dabei wegen der injizierten Leistung unterhalb der Schwelle im freilaufenden Betrieb, dies jedoch nur innerhalb der Master-Laser-Bandbreite, wodurch Modensprünge und Spontanemissionen in andere Moden verhindert werden. Da also spontane Emissionen in andere Moden und Modensprünge nahezu ausgeschlossen werden können (da ihnen die Besetzungsinversion fehlt), wird die Sensitivität weiter vergrößert, so daß die theoretisch ermittelte Sensitivität mit der vorliegenden Vorrichtung und dem vorliegenden Verfahren auch tatsächlich erreicht werden kann.
Der vorliegende Injection Locking Slave-Laser (der sekundäre Laser) kann über den Master-Laser (der primäre Laser) in der Wellenlänge durchgestimmt werden, wodurch mittels direkter Spektroskopie die Absorptionslinie gemessen werden kann.
Durch Frequenzmodulation des Masterlasers und damit auch des Slave-Lasers kann die Sensivität zusätzlich erhöht werden.
Zudem ist denkbar, das vorliegende ISIS-Verfahren mit einer sogenannten Cavity-Ringdown-Spektroskopie zu verbinden, wodurch die Sensitivität weiter erhöht werden könnte (wie nachfolgend noch näher ausgeführt). Dabei wird die zu untersuchende Substanz in einem Resonator hoher Güte eingebracht und die Abklingzeit der Photonen im Resonator gemessen. Dabei wird die Abklingzeit der Photonen durch das vorliegende ISIS-Verfahren stark verlängert (es ergibt sich also eine wechselseitige Verbesserung beider Verfahren).
Durch die vorliegende Technik des Injection Seeding werden daher die Nachteile der bekannten Single Mode Intracavity Spektroskopie beseitigt, wodurch die vorliegenden ISIS-Verfahren eine höhere Sensitivität als die bekannten Single-Mode Spektroskopie verfahren aufweist und stabiler und zuverlässiger betrieben werden kann. Hierdurch wird eine Konzentrationsmessung bei geringen Analytkonzentrationen erst ermöglicht.
Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des ISIS-Verfahrens weist einen Master-Laser 1, einen optischen Isolator 2, eine Spiegeleinkoppeloptik 3, einen beidseitig offenen, auf der Lichtaustrittsfläche 4a („cavityseitig") antireflexbeschichteten und auf der Lichteintrittsfläche 4b („masterlaserseitig") reflexbeschichteten Slave-Halbleiterlaser 4, einen Resonatorspiegel 5 und einen Detektor 6 auf. Dabei bilden die reflexbeschichtete Lichteintrittsfläche des Slave-Lasers 4 und der Resonatorspiegel 5 den Resonator(raum) 7, in den eine Absorptionszelle 8, welche die zu untersuchende Substanz enthält, eingebracht wird. Zusätzlich werden Master- und Slave-Laser 1, 4 mittels eines (nicht gezeigten) Peltierelementes temperaturstabilisiert.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine Länge des Resonators 7 über ein Piezoelement (oder eine Anordnung mehrerer parallel und/oder in Reihe geschalteter Piezoelemente) verändert werden. Durch eine auf das Durchstimmverhalten des Master-Lasers 1 abgestimmte Steuerelektronik 9 wird diese Länge des Resonators 7 auf die Frequenz des Master-Lasers 1 abgestimmt.
Die Vorrichtung nach 1 wird derart betrieben, daß der Master-Laser 1 in der Wellenlänge durchgestimmt wird, wobei der Slave-Laser 4 der jeweiligen Frequenz des Master-Lasers 1 folgt und der Slave-Laser 4 somit über eine Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums durchgestimmt wird. Mittels eines Detektors 6 kann das hierdurch erzeugte Absorptionssignal gemessen werden.
Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des ISIS-Verfahrens umfaßt ebenfalls den Master-Laser 1, den optischen Resonator 2, die Spiegeleinkoppeloptik 3, den Slave-Laser 4 (mit Antireflexionsschicht auf der Lichtaustrittsfläche und Reflexionsschicht auf der Lichteintrittsfläche), den Resonatorspiegel 5 und den Detektor 6, wobei die Länge des Resonators über ein Piezoelement (mehrere Piezoelemente) variierbar ist. Die Resonatorlänge wird von der Steuerelektronik 9 wiederum als Funktion des Master-Lasers 1 gesteuert.
Dabei ist die ISIS-Anordnung in einem Gehäuse 20 angeordnet, in dem die zu untersuchende Substanz aufgenommen ist. Zum Beispiel kann die zu untersuchende Substanz über Einlaß- und Auslaßventile 21, 22 das Gehäuse mit der ISIS-Anordnung durchströmen oder in diesem gehalten werden.
Die in den 3 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele entsprechen im wesentlichen dem in 2 gezeigten. Allerdings besteht der Unterschied, daß nicht, wie in 2 sämtliche Komponenten sondern nur einige der Komponenten in dem Gehäuse untergebracht sind, in das die zu untersuchende Substanz eingebracht wird.
Dabei ist in 3 die Spiegeleinkoppeloptik 3, der Slave-Laser 4, der Resonatorspiegel 5 und der Detektor 6 in dem Gehäuse aufgenommen, wobei das Gehäuse ein Fenster 24 aufweist, über welches das Single-Mode Signal des Master-Lasers 1 eingekoppelt wird.
In dem weiteren, in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Spiegeleinkoppeloptik 3, der Slave-Laser 4 und der Resonatorspiegel 5 in dem Gehäuse 20 angeordnet, welches wiederum ein Einkoppelfenster 24 und Ein- und Auslaßventile 21, 22 aufweist. Zudem ist ein Auskoppelfenster 25 vorgesehen, durch das der Laserstrahl in Richtung auf den Detektor 6 durchtritt.
In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Slave-Laser 4 und der Resonatorspiegel 5 im Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse ein Einkoppelfenster 24 zum Einkoppeln des Single-Mode Signales des Master-Lasers 1 und ein Auskoppelfenster 25 für den Austritt des Absorptionssignals zum Detektor 6 hin sowie Einlaß- und Auslaßventile 21, 22 aufweist.
Gemäß dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Slave-Laser 4, der Resonatorspiegel 5 und der Detektor 6 im Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse ein Einkoppelfenster aufweist, mit dem das Single-Mode Signal des Master-Lasers 1 über den optischen Resonator 2 und die Spiegeleinkoppeloptik 3 eingekoppelt wird, und wobei das Gehäuse wiederum Einlaß- und Auslaßventile aufweist.
Den in den 2 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß auf die Verwendung einer Absorptionszelle 6 verzichtet werden kann, wodurch die Fenster der Absorptionszelle entfallen. Hierdurch werden die sogenannten Etaloneffekte vermieden.
Gemäß einem weiteren (nicht im einzelnen gezeigten) Ausführungsbeispiel kann die ISIS-Anordnung ohne ein Gehäuse in einem Raum, der die zu untersuchende Substanz enthält, offen aufgebaut werden, wodurch auf einfachste Art und Weise insbesondere Umweltmessungen ermöglicht sind.
Das weitere, in 15 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen den in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen, mit dem Unterschied, daß Einkoppelseite und Auskoppelseite des Resonators identisch sind, d. h. das Signal des Masterlasers wird von derselben Seite eingekoppelt wie das Signal des Slavelasers ausgekoppelt wird. Bei einer derartigen Ausbildung des Resonators wird als zusätzliches Element ein Strahlteiler (Beamsplitter 10) benötigt.
Den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 6 und 15 ist gemeinsam, daß die Lichteintrittsfläche 4a des Slave-Lasers reflexionsbeschichtet und die Lichtaustrittsfläche 4b des Slave-Lasers antireflexbeschichtet sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der ISIS-Anordnung mit einem Strahlteiler 10 ist in 7 gezeigt, wobei diese ISIS-Anordnung aus einem Master-Laser 1, einem optischen Isolator 2, dem Strahlteiler (Beamsplitter 10), einer Spiegeleinkoppeloptik 3, einem einseitig offenen, auf der offenen Vorderseite 4c antireflexbeschichteter Slave-Halbleiterlaser 4, einem Resonatorspiegel 5 und einem Detekter 6 besteht. Die Rückseite 4d des Slave-Lasers 4 und der Resonatorspiegel 5 bilden bei diesem Ausführungsbeispiel den Resonator 7, in den die Absorptionszelle 8, welche die zu untersuchende Substanz enthält, eingebracht wird. Master- und Slave-Laser 1, 4 werden wiederum mit Hilfe eines Peltierelementes temperaturstabilisiert. Wiederum wird die Länge des Resonators 7 über ein Piezoelement/mehrere Piezoelemente variiert. Durch eine auf das Durchstimmverhalten des Master-Lasers 1 abgestimmte Steuerelektronik 9 wird wiederum die Länge des Resonators 7 auf die Frequenz des Master-Lasers abgestimmt. Wird der Master-Laser 1 in der Wellenlänge durchgestimmt, so folgt der Slave-Laser 4 der Frequenz des Master-Lasers 1 und kann so über eine Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums durchgestimmt werden. Mit dem Detekor 6 kann dann das erzeugte Absorptionssignal gemessen werden.
Dabei kann der Slave-Laser 4 eine Kollimatorlinse aufweisen. Zudem kann der Slave-Laser anstatt der Reflexbeschichtung auf der Rückseite 4d des Slave-Lasers ein geschlossenes Gehäuse aufweisen. Auch der Master-Zylinder 1 kann eine Kollimationslinse aufweisen.
Dabei ist der Strahlengang gemäß dem ISIS-Verfahren/der ISIS-Anordnung nach 7 derart ausgebildet, daß das Single-Mode Signal über den optischen Isolator 2, den Beamsplitter 10, die Spiegeleinkoppeloptik 3, den Resonatorspiegel 5, die Absorptionszelle 8, die antireflexbeschichtete Lichteintrittsfläche des Slave-Lasers, die Rückseite des Slave-Lasers (reflexbeschichtet oder Gehäusewand) geleitet wird. Von der Rückwand erfolgt eine Rückstrahlung durch den Slave-Laser 4, die Absorptionszelle 8 den Resonatorspiegel 5, die Spiegeleinkoppeloptik 3 und den Beamsplitter 10 zum Detektor 6.
In den 8 bis 11 sind weitere Ausführungsbeispiele des ISIS-Verfahrens/der ISIS-Anordnung gezeigt, welche im wesentlichen der Ausführung nach 7 entspricht. Es besteht allerdings der Unterschied, daß auf eine Absorptionszelle 6 verzichtet ist, und daß entweder sämtliche Komponenten oder nur bestimmte Komponenten in einem Gehäuse untergebracht werden, in welches die zu untersuchende Substanz eingebracht wird. Hierdurch entfallen wiederum die Fenster der Absorptionszelle, wodurch Etaloneffekte vermieden werden. Etaloneffekte können jedoch auch durch Fenster, die im Bragg-Winkel stehen vermieden werden.
So sind im Ausführungsbeispiel nach 8 sämtliche Komponenten der ISIS-Anordnung im Gehäuse angeordnet, welches Einlaß- und Auslassventile aufweist.
Weiterhin sind in dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel der Detektor 6, der Beamsplitter 10, die Spiegeleinkoppeleinrichtung 3, der Resonatorspiegel 5 und der Slave-Laser 4 im Gehäuse aufgenommen, welches wiederum Einlaß- und Auslaßventile aufweist. Zudem umfaßt das Gehäuse ein Einkoppelfenster, in das das vom Master-Zylinder 1 eingestrahlte Single-Mode Signal eingekoppelt wird.
Gemäß dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Spiegeleinkoppeloptik 3, der Resonatorspiegel 5 und der Slave-Laser im Gehäuse angeordnet, wobei das vom Beamsplitter 10 kommende Signal über ein Einkoppelfenster eingekoppelt wird.
Gemäß dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Resonatorspiegel 5 und der Slave-Laser 4 im Gehäuse vorgesehen, wobei ein Einkoppelfenster vorgesehen ist, über das das von der Spiegelankoppeloptik 3 kommende Signal eingekoppelt wird.
Es wäre weiterhin denkbar, die vorstehenden Ausführungsbeispiele derart zu modifizieren, daß das Single-Mode Signal des Master-Lasers anstatt über einen freien Strahlengang über eine optische Faser in den Slave-Laser eingekoppelt wird.
Weiterhin ist denkbar, die vorstehend diskutierten ISIS-Anordnungen derart zu verändern, daß der Slave-Laser in eine optische Faser eingesetzt wird, so daß Slave-Laser und Resonatorspiegel durch diese Hohlfaser verbunden werden. Der Resonator, in den die zu untersuchende Substanz eingebracht wird, besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus der Rückseite des Slave-Lasers, der optischen Hohlfaser und dem zweiten Resonatorspiegel.
Den Ausführungsbeispielen nach den 7 bis 11 ist gemeinsam, daß die Lichteintrittsfläche 4c des Slave-Lasers 4 antireflexionsbeschichtet und die Lichtaustrittsfläche 4d des Slave-Lasers 5 reflexbeschichtet und/oder als Gehäuse ausgebildet sind.
Gemäß dem weiteren, in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel der ISIS-Anordnung können die vorstehenden Ausführungsbeispiele dahingehend verändert werden, daß zwei zusätzliche Resonatorspiegel verwendet werden, und daß die drei dann vorhandene Resonatorspiegel 5A, 5B, 5C einen Ringresonator (z. B. in bow-tie-Konfiguration) bilden, in den die zu untersuchende Substanz und auch der Slave-Laser eingebracht werden. In diesem Ausführungsbeispiel muß der Slave-Laser 4 auf beiden Seiten 4e, 4e offen und auf beiden Seiten 4e, 4e antireflexbeschichtet sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann dann die Länge des Ringresonators über eine Piezosteuerung an die Frequenz des Master-Lasers angepaßt werden. Die Piezosteuerung erfolgt über das Piezoelement 30.
Gemäß einem weiteren, nicht im einzelnen gezeigten Ausführungsbeispiel, wird die vorstehende ISIS-Anordnung/das vorstehende ISIS-Verfahren mit der Technik der Cavity-Ringdown-Spektroskopie kombiniert (die schon einleitend diskutiert wurde).
Gemäß dem weiteren in den 13 und 14 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das ISIS-Verfahren/die ISIS-Anordnung dahingehend modifiziert werden, daß sowohl die Lichteintrittsfläche 4f als auch die Lichtaustrittsfläche 4f des Slave-Lasers 4 mit einer Antireflexbeschichtung versehen sind, und daß der derart ausgebildete Slave-Laser 4 in zwischen zwei Resonatoren 5D, 5D oder auch in einen Ringresonator (vgl. 12) eingesetzt wird. So ist den Ausführungsbeispielen nach 13 und 14 gemeinsam, daß beidseitig des Slave-Lasers 4 Resonatorspiegel 5D, 5D angeordnet sind.
Dabei können Lichteinkoppelseite und Lichtauskoppelseite des Resonators identisch oder auch verschieden ausgebildet sein.
Der derart beschaffene Slave-Laser kann auch in einen zur Cavity-Ringdown-Spektroskopie geeigneten Resonator eingebracht werden zur Kombination des ISIS-Verfahrens mit der Cavity-Ringdown-Spektroskopie. Die Ausführungsbeispiele nach den 13 und 14 unterscheiden sich hinsichtlich der Anordnung des Detektors, wobei in 14 ein Strahlteiler 10 vorgesehen ist.
Sämtliche der vorhergehenden Ausführungsbeispiele können auch dahingehend modifiziert werden, daß eine zusätzliche Steuerelektronik 11 zur Konstantregelung der Ausgangsleistung vorgesehen wird, der als Regelsignal ein Ausgangssignal des Detektors 6 zugeführt wird. So kann die Ausgangsleitung des Slave-Lasers 4 über einen Injektionsstrom zum Slave-Laser 4 (der vom Master-Laser 1 erzeugt wird) aktiv konstant gehalten werden. Die Absorptionsstärke wird dann über das Regelsignal der Steuerelektronik 11, welches dem Slave-Laser zugeführt wird, bestimmt, da dieses um so größer ist, je größer die Absorptionsverluste im Resonator sind. Im Regelkreis der Steuerelektronik 11 ist zudem eine Pumpstromquelle 40 vorgesehen (vgl. 16). Zudem ist die Steuerelektronik 19 vorgesehen, mittels des Piezoelementes 30 (allgemein: ein Steuerelement) den Resonatorspiegel 5 und damit den Resonator(raum) zu verstellen. Beide Seiten 4g, 4g des Slave-Lasers sind antireflexbeschichtet.
Die vorstehend besprochenen Ausführungsbeispiele des ISIS-Verfahrens/der ISIS-Anordnung können auch dahingehend modifiziert werden, daß ein zusätzlicher Intensitätsregler vorgesehen ist, dem als Regelsignal das Ausgangssignal des Detektors 6 zugeführt wird (vgl. 17). Über diesen zusätzlichen Intensitätsregler 12 kann das Signal des Master-Lasers 1 und damit auch das Signal des Slave-Lasers konstant gehalten werden. Die Rückseite des Slave-Lasers ist antireflexbeschichtet.
Die Messung der Absorptionsstärke erfolgt wiederum über das Regelsignal der Steuerelektronik 11, das dem Identitätsregler 12 zugeführt wird, mit dem Unterschied, daß das Signal des Slave-Lasers nicht über den Injektionsstrom, sondern über die Intensität des Master-Lasers konstant gehalten wird.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele können auch dahingehend modifiziert werden, daß über den zusätzlichen Intensitätsregler 12 das Signal des Master-Lasers 1 konstant gehalten wird, wobei der Intensitätsregler z. B. aus einem elektrooptischen Modulator (EOM oder AOM) bestehen kann, dem als Regelsignal das Ausgangssignal eines weiteren Detektors 60 über eine aktive Steuerelektronik 11 zur Regelung auf konstante Ausgangsleistung zugeführt wird.
Die vorstehende Beschreibung offenbart die Kombination von Intracavity-Spektroskopie und dem Verfahren des Injection-Seeding und Injection-Locking. Das derart gebildete Intracavity-Spektroskopiesystem mit dem Injection-Seeded Single-Mode Laser ist dabei dadurch gekennzeichnet, daß nicht wie in der herkömmlichen Intracavity-Spektroskopie nur ein Laser verwendet wird, in dessen Resonator die zu untersuchende Probe eingebracht wird, sondern ein sogenannter Master-Laser und ein Slave-Laser. In den Resonator des Slave-Lasers wird die zu untersuchende Substanz eingebracht. Der Master-Laser dient dabei nicht einem optischen Pumpprozeß, sondern dient der Frequenzstabilisierung, der Stabilisierung des Single-Mode Betriebs und der Verlustreduzierung des Slave-Lasers.
Vorstehend wird zudem eine Kombination dieses Injection-Seeded Intracavitiy-Spektroskopieverfahrens mit der Methode der Cavity-Ringdown-Spektroskopie vorgeschlagen. Diese kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Slave-Laser auf der Lichteintrittsfläche eine Hochreflexionsschicht und auf der Lichtaustrittsfläche eine Antireflexi onsschicht enthält und zusammen mit einem Resonatorspiegel einen Resonator hoher Güte bildet, in den die zu untersuchende Substanz eingebracht wird.
Zudem kann die Kombination der Injection Seeded Intracavitiy-Spektroskopie mit der Methode der Cavity-Ringdown-Spektroskopie dadurch gekennzeichnet sein, daß der Slave-Laser auf beiden Seiten offen und auf beiden Seiten mit einer Antireflexionsschicht versehen ist und in einen Resonator hoher Güte eingebracht wird, der auch die zu untersuchende Probe enthält.
Zudem offenbart die vorstehende Beschreibung ein Single-Mode Intracavity Spektroskopiesystem, bei dem der Slave-Laser in einem Resonator ohne frequenzselektives Element untergebracht ist. Grundsätzlich kann als Master-Laser ein beliebiger Laser verwendet werden, wobei bevorzugt ein External Cavity Dioden-Laser (ECDL), ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) oder ein Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) verwendet wird.
Die vorliegende Beschreibung offenbart zudem ein Ausführungsbeispiel des Intracavity Spektroskopie-Systems, bei dem ein beidseitig offener Halbleiter-Laser als Slave-Laser verwendet wird, der auf der Lichteintrittsseite reflexionsbeschichtet und auf der Lichtaustrittsfläche antireflexionsbeschichtet ist, wobei der so beschaffene Halbleiter-Laser mittels eines zusätzlichen Resonatorspiegels einen externen Resonator bekommt, in dem die zu untersuchende Probe eingebracht wird, und wobei die reflexionsbeschichtete Lichteintrittsfläche (Facette) den Resonatorspiegel bildet, durch den der Master-Laser eingekoppelt wird.
Die vorliegende Beschreibung offenbart zudem ein Intracavity-Spektroskopiesystem, bei dem ein nur einseitig offener, auf der Lichtaustrittsfläche antireflexbeschichteter Halbleiter-Laser als Slave-Laser verwendet wird, wobei der Master-Laser von derselben Seite eingekoppelt wird, aus der das Intracavitysignal (das Absorptionssignal) ausgekoppelt wird.
Gemäß einem weiteren vorstehend offenbarten Ausführungsbeispiel ist als Slave-Laser ein beliebiger Laser, z. B. ein Gaslaser oder ein Festkörperlaser verwendet.
Gemäß einem weiteren vorstehend offenbarten Ausführungsbeispiel besitzt der Slave-Laser einen Ringresonator.
Die vorstehende Beschreibung offenbart zudem ein Injection-Seeded Intracavity-System, bei dem der Slave-Laser in eine optische Hohlfaser eingesetzt ist, an deren anderen Ende ein Resonatorspiegel eingesetzt ist, wobei die Hohlfaser so den Resonator bildet, in den die zu untersuchende Substanz eingebracht wird.
Vorstehend wurde eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung von Spurenkonzentrationen mittels Single-Mode Intracavity-Spektroskopie beschrieben. Das Verfahren bzw. die Anordnung wurde als Injection Seeded Intracavity Spektroskopie (ISIS) bezeichnet, welches unter Verwendung verschiedener Ausführungsbeispiele beschrieben wurde. Gegenüber den herkömmlichen Intracavity-Spektroskopiesystemen besitzt das ISIS-Verfahren eine weit höhere Sensitivität und ist wesentlich stabiler im Single-Mode Betrieb zu betreiben, wodurch zuverlässige Konzentrationsmessungen möglich werden.
Gegenüber bekannten Multi-Mode Intracavity-Spektroskopieverfahren hat das ISIS-Verfahren den Vorteil, daß kein zusätzlicher Spektrometer bzw. keine spektrale Analyse des Ausgangssignals nötig ist. Bei dem vorliegenden ISIS-Verfahren handelt es sich deshalb um ein mobil einsetzbares, kompaktes, hochsensitives Messgerät zur Bestimmung von Spurenkonzentrationen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Laser intracavity absorption spectroscopy", V.M. Baev, T. Latz, P.E. Toschek in der Zeitschrift „Applied Physics", Band B 69, Seiten 171-202 (Veröffentlichungsjahr 1999) [0012]
- „Intracavity diode laser for atmospheric field measurements", W. Gurlit, J.P. Burrows, H. Burkhard, R. Böhm, V.M. Baev and P.E. Toschek in der Zeitschrift „Infrared Physics and Technology", 37, Seiten 95-98 (Veröffentlichungsjahr 1996) [0015]
- „Intracavity diode laser for atmospheric field measurements", W. Gurlit, J.P. Burrows, H. Burkhard, R. Böhm, V.M. Baev and P.E. Toschek in der Zeitschrift „Infrared Physics and Technology", 37, Seiten 95-98 (Veröffentlichungsjahr 1996) [0021]
- siehe: N.Okabe, R.Böhm, V.M.Baev, P.E.Toschek, "Absorptions-Spektroskopie im Resonator eines Einmoden-Dioden-Lasers", Frühjahrstagung der AG Quantenoptik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Berlin, 15.3.-18.3. 1993; Verhandl. DPG (VI) 28, 381-382, Q6.8 (1993) [0022]

Claims

Spektroskopievorrichtung mit einem primären Laser (1), mit dem ein Single-Mode Lasersignal erzeugbar ist und mit einem sekundären Laser (4), in dessen Resonator (7) ein zu untersuchendes Medium einbringbar ist, wobei das Single Mode Lasersignal des primären Lasers (1) in den sekundären Laser (4) eingekoppelt wird, derart daß die Frequenzen, die Phasen und die Polarisationen des Single-Mode Lasersignals des primären Lasers (4) und eines durch dieses angeregten Lasersignals des sekundären Lasers (1) übereinstimmen, wobei eine Wellenlänge des Lasersignals des sekundären Lasers (4) über das Single-Mode Lasersignal des primären Lasers (1) steuerbar und über das Lasersignal des sekundären Lasers (1) eine Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums messbar ist.
Spektroskopievorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Laser (4) über den primären Laser (1) zur Messung der Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums in der Wellenlänge durchstimmbar ist.
Spektroskopievorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Frequenzmodulation des Lasersignals des primären Lasers (1) oder durch Modulation des Injektionstromes des sekundären Lasers, wodurch ebenfalls eine Frequenzmodulation des sekundären Lasers erreicht wird.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Messung einer Abklingzeit einer Erregung der Photonen im Resonator des sekundären Lasers (4).
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Detektor (6) zur Messung des Absorptionssignals.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Peltierelement zur Temperaturstabilisierung der primären und sekundären Laser (1, 4).
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diodenlaser, ein Halbleiterlaser, ein Gaslaser oder ein Festkörperlaser als sekundärer Laser (4) verwendet wird.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Laser einen Ringresonator aufweist.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf Seiten des primären Lasers (1) angeordnete Lichteintrittsfläche des sekundären Lasers reflexbeschichtet und eine auf Seiten des Resonators (7) angeordnete Lichtaustrittsfläche des sekundären Lasers (4) antireflexbeschichtet sind und mit einem Resonatorspiegel (5), wobei die reflexbeschichtete Lichteintrittsfläche des sekundären Lasers (4) und der Resonatorspiegel (5) den Resonator (7) bilden, in den eine Absorptionszelle (8) einbringbar ist, welche das zu untersuchende Medium enthält.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Laser (4) auf der Lichteintrittsfläche eine Hochreflexionsschicht und auf der Lichtaustrittsfläche eine Antireflexschicht erhält und zusammen mit dem Resonatorspiegel den Resonator bildet, in den das zu untersuchende Medium eingebracht wird.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche des Resonators identisch ausgebildet sind, und die Vorrichtung umfaßt einen Resonatorspielgel (5) und einen Strahlteiler (10), mit dem das Single-Mode Lasersignal in den sekundären Laser einkoppelbar und ein durch sekundären Laser (4) und Resonatorspiegel (5) erzeugtes Absorptionssignal an einen Detektor leitbar sind.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Laser (4) auf der Lichteintrittsseite und der Lichtaustrittsseite offen und mit einer Antireflexionsschicht versehen sind, wobei der sekundäre Laser in einen Resonator eingebracht wird, der auch das zu untersuchende Medium enthält.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Laser (4) in einem Resonator ohne frequenzselektives Element untergebracht ist.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein beidseitig offener Halbleiterlaser als sekundärer Laser (4) verwendet wird, der auf der Lichteintrittsfläche reflexbeschichtet und auf der Lichtaustrittsfläche antireflexbeschichtet ist, wobei dieser Halbleiterlaser mit einem Resonatorspiegel einen externen Resonator bildet, in dem das zu untersuchende Medium eingebracht wird, und wobei die reflexbeschichtete Lichteintrittsfläche den Resonatorspiegel bildet, durch den das Single Mode Lasersignal des primären Lasers (1) eingekoppelt wird.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein nur einseitig offener, auf einer Lichtaustrittsfläche antireflexbeschichteter Halbleiterlaser als sekundärer Laser verwendet wird, wobei das Single Mode Signal des primären Lasers wird von derselben Seite eingekoppelt, aus der das erhaltene Meßsignal ausgekoppelt wird.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Laser in eine optische Hohlfaser eingesetzt ist, an deren anderen Ende ein Resonatorspiegel eingesetzt ist, wobei die Hohlfaser den Resonator bildet, in den das zu untersuchende Medium eingebracht wird.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Länge des Resonators, insbesondere über ein Piezoelement variierbar ist, wobei eine Steuerelektronik (9) auf das Durchstimm verhalten des primären Lasers (1) und die Länge des Resonators auf die Frequenz des primären Lasers (1) abgestimmt sind.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit Ventil in dem die Spektroskopievorrichtung oder Teile derselben zusammen mit dem zu untersuchenden Medium aufgenommen sind.
Spektroskopievorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als primärer Laser ein External Cavity Diodenlaser (ECDL) oder ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL), ein Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) oder ein DFB-Laser verwendet wird.
Spektroskopieverfahren, mit den Schritten: – Anordnen eines zu untersuchenden Mediums in einem Resonator (7) eines sekundären Lasers (4), – Erzeugen eines Single-Mode Lasersignals mit einem primären Laser (1) und Einkoppeln dieses Signals in den sekundären Laser (4), so daß der sekundäre Laser (4) zur Abgabe eines sekundären Lasersignals angeregt wird, – Steuerung einer Wellenlänge des vom sekundären Laser (4) abgegebenen Signals über den primären Laser (1) und – Messung einer Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums über das Lasersignal des sekundären Lasers (1).
Spektroskopieverfahren nach Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Laser (4) über den primären Laser (1) in der Wellenlänge durchgestimmt wird zur direkten Spektroskopie der Absorptionslinie des zu untersuchenden Mediums.
Spektroskopieverfahren nach Patentanspruch 20 oder 21, gekennzeichnet durch eine Frequenzmodulation des primären Lasers (1), wodurch eine Fre quenzmodulation des sekundären Lasers (4) erzeugt und eine Sensitivität des Spektroskopieverfahrens erhöht wird.
Spektroskopieverfahren nach einem der Patentansprüche 20 bis 22, gekennzeichnet durch eine Messung einer Abklingzeit der Photonen im Resonator des sekundären Lasers zur Erhöhung der Sensitivität des Spektroskopieverfahrens.
Spektroskopieverfahren nach einem der Patentansprüche 20 bis 23, gekennzeichnet durch eine Konstantregelung des Ausgangssignals des Sekundärlasers mittels einer Steuerelektronik, wobei die Konstantregelung über eine Steuerung der Intensität des Masterlasers oder über eine Steuerung des Injektionsstromes des Sekundärlasers erfolgt, und wobei eine Stärke der Absorption über eine Größe des Regelsignals bestimmt wird.