DE102007043951A1 - Molecules detecting device for e.g. nitrogen oxide in private house, has light source, detector unit, acoustic resonator for light-induced reinforcement of acoustic signals, and block with tuning fork and resonator sections - Google Patents

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Abstract

The device has a light source e.g. LED, a detector unit, and an acoustic resonator for light-induced reinforcement of acoustic signals. A block is provided with a tuning fork section and a resonator section. The block is made of a piezomaterial e.g. quartz, and combines a piezomicrosensor element serving as a detector and the tuning fork section. The piezomicrosensor element has a vertical recess to retain vertical flanks, and a heat resistant gallium orthophosphate. An independent claim is also included for a method for detecting molecules in gases, fire aerosols and process gases.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Detektion von Molekülen in Gasen, wie z. B. zur Erkennung von Brandaerosolen, toxischen Gasen, Prozeßgasen oder Spuren von Explosivstoffen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.The The invention relates to a device for the detection of molecules in gases, such as. B. for the detection of fire aerosols, toxic Gases, process gases or traces of explosives the features of the preamble of the main claim.

Neben der durch die Tagesaktualität im Interesse stehenden Erkennung von Explosivstoff-Molekülspuren in der Luft ist die Erkennung von Bränden im Anfangsstadium sehr wichtig. In der Bundesrepublik werden jährlich ca. 200.000 Brände erfasst, bei denen etwa 60.000 Personen verletzt und ca. 600 getötet werden. Knapp 95% der Brandopfer erleiden ihr Schicksal in der Schwelbrandphase, die oftmals eine mehr stündige Entstehungsphase hat. In einer solchen Phase können Brandaerosole erkannt, eine Alarmierung durchgeführt werden und der Schwelbrand (noch) einfach gelöscht werden.Next the recognition of interest in the current day of explosive molecular traces in the air is detection of fires in the initial stage very important. In the Federal Republic Every year, about 200,000 fires are recorded, in which injured about 60,000 people and about 600 killed. Nearly 95% of the burnt victims suffer their fate in the smoldering phase, which often has a more hourly development phase. In In such a phase, fire aerosols can be detected, an alarm and the smoldering fire (still) easy to be deleted.

Typische konventionelle Brand- bzw. Rauchmelder basieren auf Ionisations- bzw. Streulichtmessungen, bei denen neuerdings auch blaue LEDs zum Abscannen des Brandspektrums eingesetzt werden.typical Conventional fire and smoke detectors are based on ionization or scattered light measurements, which recently also blue LEDs for scanning of the brand spectrum.

Während die klassischen Messprinzipien vorwiegend auf physikalischen Größen wie Aerosoldichte und Temperatur basieren, zeichnen sich neuere Messprinzipien dadurch aus, dass sie auf spezifische chemische Größen, z. B. Gaskonzentrationen, reagieren. Die derzeit verfügbaren Halbleiter-Gassensoren haben allerdings eine Reihe von Nachteilen, wie Querempfindlichkeiten auf unterschiedliche Gase (damit verbunden sind unerwünschte Fehlalarmraten) oder Alterungen der Sensoroberflächen (damit verbunden ist eine Reduzierung der Empfindlichkeit).While the classical measuring principles predominantly on physical quantities As aerosol density and temperature are based, newer ones are emerging Measuring principles by focusing on specific chemical quantities, z. As gas concentrations react. The currently available However, semiconductor gas sensors have a number of disadvantages, like cross-sensitivities to different gases (associated with it are unwanted false alarm rates) or aging of the sensor surfaces (thus connected is a reduction in sensitivity).

Jüngste Entwicklungen der Mikrosensorik ermöglichen die Herstellung von Multisensormeldern und die Einbindung in entsprechende Netzwerke um eine schnelle und sichere Branderkennung zu gewährleisten. Eine wesentliche Voraussetzung ist dabei allerdings, zwischen verschiedenen Raucharten zu differenzieren und so zu entscheiden, ob es sich um ein Brandaerosol oder eine Fehlalarmgröße handelt.recent Developments in microsensors enable production of multi-sensor detectors and the integration into corresponding networks to ensure fast and safe fire detection. An essential condition is, however, between different Smoke types to differentiate and thus decide whether it is a fire aerosol or a false alarm size.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hochempfindliche und selektive Detektion von Spurengasen zu ermöglichen, und weiter nach Möglichkeit dabei durch Nutzung teuerer Komponenten für eine Anzahl von Meßorten, die Installationskosten günstiger zu gestalten.Of the Invention is therefore based on the object, a highly sensitive and to enable selective detection of trace gases and further if possible by using more expensive Components for a number of measurement locations, the Installation costs cheaper.

So lassen sich kostengünstig über Fasertechnologien mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen miteinander vernetzen und ermöglichen durch geeignete Wahl von Strahlquellen und neuartigen Laser-Anregungskonzepten einen Multispeziesnachweis. Somit sind zum Beispiel in einer Personen- oder Gepäckkontrolle eine Vielzahl einzelner Sensorköpfe durch nur eine teure zentrale Laseranregung versorgbar.So can be inexpensively using fiber technologies several devices according to the invention with each other network and enable by a suitable choice of beam sources and novel laser excitation concepts a multi-species detection. Thus, for example, in a person or luggage control a variety of individual sensor heads by only one expensive central laser excitation supplyable.

Der vorliegend in einer bevorzugten Ausführung gewählte piezo-optische Mikrogassensor gestattet es, zum Beispiel bei Schwelbränden entstehende Brandgase, wie z. B. Stick- und Kohlenstoffoxide (NOx und COx) bis in den ppb-Bereich selektiv und unter Echtzeitbedingungen zu erfassen.The presently selected in a preferred embodiment piezo-optical micro gas sensor allows, for example, in case of smoldering fire gases such. B. nitrogen and carbon oxides (NO x and CO x ) up to the ppb range selectively and under real-time conditions to capture.

Die selektive Erfassung von allen Gasen und in Gasen befindlichen Molekülen, insbesondere auch Brandaerosolen und Brandgaszusammensetzungen, wie z. B. den COx bzw. NOx Gaskonzentrationen sowie deren Verhältnis sind bereits Indikatoren für das Auftreten eines Brandes und gestatten bereits vor dem Auftreten eines eigentlichen Brandes eine Warnmeldung zum Einleiten entsprechender Präventivmaßnahmen.The selective detection of all gases and molecules in gases, in particular fire aerosols and fire gas compositions such. As the CO x or NO x gas concentrations and their ratio are already indicators of the occurrence of a fire and allow even before the occurrence of a fire, a warning to initiate appropriate preventive measures.

Damit wird eine neue Generation von Mikrogassensoren bereitgestellt, die die Funktionalität von zukünftigen Brandmeldern signifikant verbessert. Einsatzszenarien reichen vom Privathaushalt über Produktions- und Industrieanlagen bis hin zu Windkraftanlagen.In order to A new generation of micro gas sensors will be provided the functionality of future fire detectors significantly improved. Application scenarios range from private households to production and industrial plants to wind turbines.

Die Funktion des Piezo-optischen Mikrosensors beruht dabei auf folgendem Prinzip: Nach Anregung durch elektromagnetische Strahlung kann ein Molekül in einen angeregten Zustand versetzt werden. Es deaktiviert sich dann, indem es entweder Licht oder Wärme emittiert. Erfolgt die Deaktivierung strahlungslos, dann erwärmt sich die Probe. In der Probe entsteht eine Wärmewelle, die sich ausbreitet und die aufgenommene Energie zur Probenoberfläche transportiert. Dort erwärmt sie die Probenumgebung, z. B. ein Gas, was lokal zu einer Volumenänderung führt.The The function of the piezo-optical microsensor is based on the following Principle: After excitation by electromagnetic radiation can be a molecule be put into an excited state. It turns off then by emitting either light or heat. He follows the deactivation radiationless, then the warms up Sample. In the sample, a heat wave is created spreads and the absorbed energy to the sample surface transported. There it warms the sample environment, z. As a gas, which leads locally to a change in volume.

Wird die Probe (z. B. das Gas) mit einer periodisch modulierten Lichtwelle angeregt, so entsteht in dem Anregungsvolumen eine periodisch modulierte Druckänderung. Diese breitet sich mit der Modulationsfrequenz als Schallwelle aus und kann bei Auftreffen auf ein piezoelektrisches Material eine Piezospannung S0 induzieren, die direkt proportional zur geprobten Teilchendichte ist: S0 = α·P·Q/f0 (1) If the sample (eg the gas) is excited with a periodically modulated light wave, a periodically modulated pressure change occurs in the excitation volume. This propagates with the modulation frequency as a sound wave and can induce a piezoelectric voltage S 0 when hitting a piezoelectric material, which is directly proportional to the tested particle density: S 0 = α · P · Q / f 0 (1)

Dabei ist α der Absorptionskoeffizient der nachzuweisenden Molekülspezies (direkt proportional zur Teilchendichte), P die aufgebrachte Lichtleistung, Q der Gütefaktor des Resonators und f0 die Eigenfrequenz des Resonators.Here, α is the absorption coefficient of the molecular species to be detected (directly proportional to the particle density), P the applied light power, Q the quality factor of the resonator and f 0 the natural frequency of the resonator.

Im Stand der Technik WO 2005/0077 061 A2 werden – anders als es die Erfindung vorschlägt – isoliert befestigte Schwingquarze in der Ausführungsform einer Stimmgabel als Sensoren in unterschiedlichen Medien beschrieben. Die Signaldetektion erfolgt optisch (wie z. B. auch US 4,713,540 ) oder elektrisch.In the prior art WO 2005/0077 061 A2 are - unlike the invention suggests - isolated fixed quartz crystals in the embodiment of a tuning fork described as sensors in different media. The signal detection takes place optically (as, for example, also US 4,713,540 ) or electrically.

Nachteile dieser Ausführungsformen sind relativ geringe Nachweisgenauigkeiten, Beschränkung der Geometrie auf Standard-Stimmgabelformen und Hybridanordnungen, wenn ein akustischer Resonator zur Signalverstärkung des piezo-optischen Messsignals eingesetzt wird.disadvantage these embodiments are relatively low detection accuracies, Limitation of geometry to standard tuning fork shapes and hybrid arrangements when an acoustic resonator for signal amplification the piezo-optical measuring signal is used.

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches vermieden. Das gesamte Sensorelement wird bevorzugt aus einem einzigen Stück eines piezoelektrischen Materials (z. B. Quarz oder Langasit) gefertigt.According to the invention these disadvantages by the device with the features of the main claim avoided. The entire sensor element is preferably made of a single Piece of piezoelectric material (eg quartz or langasite) manufactured.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent in the following Description of the drawing explained. Showing:

1 eine bevorzugte Ausführungsform des blockförmigen Piezo-Mikrosensorelementes mit einem integrierten akustischen Resonator, 1 a preferred embodiment of the block-shaped piezo microsensor element with an integrated acoustic resonator,

2 zwei mögliche Geometrien der Stimmgabel, links eine zunächst verwandte, rechts eine bevorzugte Form, 2 two possible geometries of the tuning fork, left one initially related, right one preferred form,

3 eine Darstellung der sich ausbildenden Amplitudenmaxima mit angedeuteten Stimmgabelpositionen, 3 a representation of the forming amplitude maxima with indicated tuning fork positions,

3b eine die Positionen der Stimmgabeln in 3 durch eine perspektivische Darstellung erläuternde Darstellung, 3b one the positions of the tuning forks in 3 by a perspective representation explanatory representation,

4a eine Darstellung der Breitband CO2 Anregung bei 1,572 μm Anregungswellenlänge, 4a a representation of the broadband CO 2 excitation at 1.572 μm excitation wavelength,

4b zum Vergleich mit 4a eine Darstellung der Breitband H2O-Anregung bei 1,572 μm Anregungswellenlänge, 4b for comparison with 4a a representation of the broadband H 2 O excitation at 1.572 μm excitation wavelength,

5 die der optischen Anregung zur Erzeugung der Schallwelle durch Raman-Effekt zugrunde liegenden Zustande schematisch, 5 the states underlying the optical excitation for generating the sound wave by Raman effect,

6 das mit dem erfindungsgemäßen Mikrogassensor gemessene CO2-Signal durch Laserabsorption bei 1,57 μm, 6 the measured with the micro gas sensor according to the invention CO 2 signal by laser absorption at 1.57 microns,

7 eine weitere mögliche Ausführungsform des fasergekoppelten Piezo-Mikrogassensors, 7 Another possible embodiment of the fiber-coupled piezo micro gas sensor,

8 eine weitere mögliche Ausführungsform mit Resonator für die Lichtinduzierte Schallwelle durch Endflächen der GRIN-Linsen, und 8th Another possible embodiment with resonator for the light-induced sound wave through end faces of the GRIN lenses, and

9 das Multiplexing verschiedener fasergekoppelter Piezo-Mikrogassensoren bei Verwendung nur einer Lichtquelle zu einem Multisondenelement. 9 the multiplexing of various fiber-coupled piezo micro gas sensors when using only one light source to a multi-probe element.

Sowohl das piezo-elektrische Element als auch der akustische Resonator sind in einer bevorzugten Ausführung in das Element integriert. Vorteilhaft ist dabei die nicht mehr notwendige Justierung. Durch geeignete Anpassung der Geometrie kann die Resonanzfrequenz f0 problemlos minimiert werden, was zu einem optimierten Messsignal S0 und damit erhöhter Empfindlichkeit führt.Both the piezoelectric element and the acoustic resonator are integrated into the element in a preferred embodiment. The advantage is the no longer necessary adjustment. By suitable adaptation of the geometry, the resonance frequency f 0 can be minimized without problems, which leads to an optimized measurement signal S 0 and thus increased sensitivity.

Im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen werden insbesondere die Schenkel (Seitenflächen) des Sensorelementes möglichst streifenförmig ausgebracht. Das hat eine erhöhte Empfindlichkeit des Sensors zur Folge, da bereits sehr geringe periodische lichtinduzierte Druckänderungen an dem Sensor gegenläufige Schwingungen und damit eine Piezospannung erzeugen.in the In contrast to known embodiments are in particular the legs (side surfaces) of the sensor element as possible deployed in strips. That has an increased Sensitivity of the sensor results, since already very low periodic light-induced pressure changes on the sensor counter-rotating Vibrations and thus generate a piezoelectric voltage.

Weiter hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass ein längerer Lichtfokus eingesetzt werden kann und daher der Wirkungsquerschnitt für das Auftreffen von Photonen auf das eigentliche Sensorelement signifikant vergrößert wird, was wiederum eine Erhöhung der Messempfindlichkeit zur Folge hat.Further This embodiment has the advantage that a longer Light focus can be used and therefore the cross section for the impact of photons on the actual sensor element is significantly increased, which in turn is an increase the sensitivity of the measurement results.

Darüber hinaus wird erfindungsgemäß die Anordnung der eigentlichen Sensorelemente an die akustische Wellenform angepasst. Neben der fundamentalen Schwingung treten Oberwellen auf, dieses ist in 3a skizziert.In addition, according to the invention, the arrangement of the actual sensor elements is adapted to the acoustic waveform. In addition to the fundamental vibration, harmonics occur, this is in 3a outlined.

Die Sensorelemente werden genau an den Stellen positioniert, an denen die Maxima der akustischen Welle beobachtet werden (3b).The sensor elements are positioned exactly where the maxima of the acoustic wave are observed ( 3b ).

Diese Anpassung kann erfindungsgemäß besonders einfach und effizient mit der in 1 gezeigten Blockgeometrie realisiert werden. Darüber hinaus können mit der beschriebenen Blockgeometrie die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Sensorelemente sehr einfach angepasst werden. In 2 werden zwei mögliche Geometrien der Stimmgabel, links eine zunächst verwandte, rechts eine bevorzugte Form dargestellt. Die Stimmgabel ist dabei in Richtung quer zu ihrer Ebene (als ob viele Gabeln dicht aneinanderliegen, die eine lange Kerbe ausbilden), mit zwei Gabelendkanten ausbildenden Stimm "flächen" versehen. Ein Block kann dann wie in 1 gezeigt, zwei oder mehr solcher Geometrien vereinen und in der Kerbe kann zum Beispiel ein zylindrischer ebenfalls sich längs durch den Block erstreckender Durchlaß zu Beherbergung der Fasern und ihrer Ummantelungen gebildet werden (andere Formgebungen sind natürlich auch möglich, wie z. B. ein vieleckiger Querschnitt, oder ein Durchlass, der nicht gerade ist).This adaptation can according to the invention particularly simple and efficient with in 1 shown block geometry can be realized. In addition, the resonance frequencies of the respective sensor elements can be very easily adapted with the described block geometry. In 2 Two possible geometries of the tuning fork, on the left a first related, on the right a preferred form are shown. The tuning fork is in the direction transverse to its plane (as if many forks are close to each other, forming a long notch), provided with two fork end edges forming voice "surfaces". A block can then be as in 1 For example, a cylindrical may also be longitudinally extended through the block in the notch of course, to accommodate the fibers and their sheaths (other shapes are of course also possible, such as a polygonal cross-section, or a passage which is not straight).

Durch geeignete Wahl von Wandungs- und Materialstärken lassen sich problemlos gleiche Resonanzfrequenzen f0 für gekoppelte Sensorelemente erreichen. Der Einsatz von Gassensoren erfordert darüber hinaus temperaturbeständige Piezomaterialien, d. h. die Resonanzfrequenz f0 sollte möglichst keine Temperaturabhängigkeit zeigen.By a suitable choice of wall thicknesses and material thicknesses, the same resonant frequencies f 0 can easily be achieved for coupled sensor elements. The use of gas sensors also requires temperature-resistant piezo materials, ie the resonant frequency f 0 should show no temperature dependence as possible.

Dabei ist ein Block aus einem leitfähigen Material als Träger und Kontaktwerkstoff, wie Kupfer, denkbar, auf dem die Gabelbestandteile befestigt werden, und der bereits den Resonator enthält. Auch mehrere Resonatorblöcke aus Kunststoff oder mehrere Resonatorgabeln aus Piezomaterial und andere Verbundmaterialien sind möglich.there is a block of a conductive material as a carrier and contact material, such as copper, conceivable on which the fork components be attached, and already contains the resonator. Also several resonator blocks made of plastic or more Resonator forks made of piezo material and other composite materials are possible.

Bekannte Schwingquarze zeigen bereits bei Temperaturen oberhalb von 100°C keine scharfen Resonanzeigenschaften mehr. Demgegenüber ist die Ausführung des in 1 gezeigten Sensors aus GaPO4 oder Langasit noch bis zu Temperaturen von 1000°C funktionsfähig, da diese Materialien bis in den genannten Temperaturbe reich eine scharfe Resonanz zeigen, auf die die Modulationsfrequenz des Laserfeldes abgestimmt werden kann.Known quartz crystals show no sharp resonance properties even at temperatures above 100 ° C. In contrast, the execution of in 1 shown sensor of GaPO 4 or langasite still functioning up to temperatures of 1000 ° C, as these materials show rich in the mentioned Temperaturbe a sharp resonance to which the modulation frequency of the laser field can be tuned.

Die 7 und 8 zeigen mögliche Anordnungen des piezo-optischen Mikrosensors mit Faserkopplung. Das Sensorelement wird von beiden Seiten mittels Lichtleiterführung und Gradientenindexlinsen (GRIN) optisch angeregt. Die Stirnflächen der GRIN Linsen können dabei als Endflächen eines akustischen Resonators für die lichtinduzierte Schallwelle dienen, was wie oben beschrieben zu einer Erhöhung der Nachweisgenauigkeit führt und gleichzeitig die Justieranfälligkeit derartiger Sensoren für den industriellen Einsatz reduziert.The 7 and 8th show possible arrangements of the fiber optic piezo-optical microsensor. The sensor element is optically excited from both sides by means of optical fiber guidance and gradient index lenses (GRIN). The end faces of the GRIN lenses can serve as end surfaces of an acoustic resonator for the light-induced sound wave, which, as described above, leads to an increase in the accuracy of detection and at the same time reduces the susceptibility to adjustment of such sensors for industrial use.

Die frequenzmodulierte optische Anregung der Gasspezies und damit verbunden die Ausbildung der Schallwelle im Gasvolumen kann auf zweierlei Arten erfolgen.

  • (1) Durch gewöhnliche selektive Absorptionsanregung mit elektromagnetischer Strahlung auf Rotation-Schwingungsübergängen des nachzuweisenden Gases. Voraussetzung hierfür ist ein effizienter Energietransfer von Rotation auf Translation des Moleküls (R-T-Energietransfer). Die Translation ist verantwortlich für die Ausbildung der notwendigen Schallwelle, die dann in dem Sensorelement den Piezoeffekt induziert. Der effiziente R-T Transfer setzt ggf. die Einleitung eines sog. Buffergases voraus, der diesen Prozess unterstützt. Dieser Anregungsprozess wird konventionell mit spektral-schmalbandiger Laserstrahlung (bevorzugt im nahen Infrarotbereich) durchgeführt.
  • (2) Für industrielle Anwendungen im Bereich Brandschutz können erfindungsgemäß auch spektral-breitbandige Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt werden. Dieses ist exemplarisch in der 4a für den CO2-Nachweis gezeigt. Die optische Anregung mehrerer Absorptionslinien um 1.572 μm induziert ein signifikantes piezo-optisches Signal, was bei geeigneter Auswahl von LED Emissionsbereichen z. B. nicht mit Wasser (ist in der Atmosphäre immer vorhanden) interferiert.
The frequency-modulated optical excitation of the gas species and the associated formation of the sound wave in the gas volume can be done in two ways.
  • (1) By ordinary selective absorption excitation with electromagnetic radiation on rotation-vibration transitions of the gas to be detected. The prerequisite for this is an efficient energy transfer from rotation to translation of the molecule (RT energy transfer). The translation is responsible for the formation of the necessary sound wave, which then induces the piezoelectric effect in the sensor element. The efficient RT transfer may require the introduction of a so-called buffer gas, which supports this process. This excitation process is conventionally carried out with spectral narrow-band laser radiation (preferably in the near infrared range).
  • (2) For industrial applications in the field of fire protection, spectrally broadband light-emitting diodes (LEDs) can also be used according to the invention. This is exemplary in the 4a shown for CO 2 detection. The optical excitation of several absorption lines around 1572 microns induces a significant piezo-optical signal, which with a suitable selection of LED emission ranges z. B. not with water (is always present in the atmosphere) interferes.

Dieser Ansatz ermöglicht die Herstellung von extrem preisgünstigen Sensoren, was gerade für die Anwendung Brandschutz von großem Vorteil ist. Ein weiterer möglicher Anregungsprozeß bietet die Raman Anregung, wie in 5 schematisch gezeigt. Mit Hilfe frequenzmodulierter elektromagnetischer Strahlung der Frequenzen ω1 und ω2 werden Raman Übergänge in dem zu untersuchenden Molekül induziert.This approach enables the production of extremely low-cost sensors, which is of great advantage for the application of fire protection. Another possible excitation process is the Raman excitation, as in 5 shown schematically. With the help of frequency-modulated electromagnetic radiation of the frequencies ω1 and ω2 Raman transitions are induced in the molecule to be examined.

Dabei regt ω1 ein sog. „virtuelles" Niveau an (die Anregungswellenlänge ist dabei unspezifisch und lediglich die Frequenz ω2 wird molekülspezifisch auf den Raman Übergang abgestimmt).there ω1 stimulates a so-called "virtual" level (the excitation wavelength is unspecific and only the frequency ω2 becomes molecule-specifically tuned to the Raman transition).

Damit werden effizient Teilchendichten in den Zustand 2 gepumpt, die in den Grundzustand nicht optisch, sondern nur strahlungslos rekombinieren können und somit sehr effizient R-T Energietransfer unterstützen. Dadurch wird sehr effizient eine frequenzmodulierte Schallwelle induziert, die dann erfindungsgemäß mit dem Piezo-Mikrosensorelement sehr einfach und effizient nachgewiesen werden kann. Diese Ausführungsform von Anregung und Detektion ist bisher nicht bekannt.In order to Efficient particle densities are pumped to state 2 in not recombine the ground state visually, but only without radiation and thus very efficiently support R-T energy transfer. This is very efficient a frequency modulated sound wave which then according to the invention with the piezo microsensor element very simple and efficient can be demonstrated. This embodiment of excitation and detection is not yet known.

Eine weitere Ausführungsform dieses Anregungs-Detektionsschemas ist die Verwendung von Femtosekunden-Weisslichtpulsen in Verbindung mit einem in der Frequenzdomäne spektral geformten Lichtimpuls, wobei hier der nichtlineare Raman Effekt zur Anregung genutzt wird. Die lichtinduzierte Schallwelle wird wiederum erfindungsgemäß mit dem Piezo-Mikrosensorelement detektiert.A another embodiment of this excitation detection scheme is the use of femtosecond white light pulses in conjunction with a spectrally shaped light pulse in the frequency domain, where the nonlinear Raman effect is used for excitation. The light-induced sound wave is again in accordance with the invention the piezo microsensor element detected.

Ein Femtosekundenpuls hat naturgemäß eine sehr große spektrale Bandbreite. Wird ein Femtosekundenpuls nun spektral in seinem Profil manipuliert, so ändert sich automatisch auch die Pulsform in der Zeitdomäne. Da man das Spektrum sehr einfach manipulieren kann, z. B. indem der Puls räumlich spektral aufgeweitet wird, und dann einzelne Farben aus dem Puls eliminiert werden (das kann mechanisch oder aber besser elektronisch geregelt mit beispielsweise Flüssigkeitskristallen erfolgen) kann man auf diese Weise einen in der Zeitdomäne beliebig geformten Femtosekundenpuls-Zug erzeugen. Dieses bezeichnet man als Pulsformung.Naturally, a femtosecond pulse has a very broad spectral bandwidth. If a femtosecond pulse is now spectrally manipulated in its profile, the pulse shape in the time domain also changes automatically. Since one can manipulate the spectrum very simply, z. B. by the pulse is spatially expanded spectrally, and then individual colors are eliminated from the pulse (this can be done mechanically or better electronically controlled with, for example liquid crystals) can In this way one can generate a femtosecond pulse train of arbitrary shape in the time domain. This is called pulse shaping.

Der Femtosekundenpuls (in der Zeitdomäne) hat dann nach wie vor eine Dauer in der Femtosekunden Zeitskala aber eine Substruktur. Wird nun diese Substruktur geeignet "eingestellt", dann wird einem Molekül Energie mit einer ganz bestimmten Zeitstruktur zugeführt und so kann man mit einem spektral extrem breitbandigen Puls ein Molekül selektiv in einem Schwingungs-Rotationsniveau anregen, da das Molekül in dieser Art wiederum selektiv auf einer Eigenschwingung angeregt wird. Dieses Anregungsprinzip könnte man dann auch zur Erzeugung eines photoakustischen Signal verwenden.Of the Femtosecond pulse (in the time domain) then has to a duration in the femtosecond time scale but a substructure. If this substructure is properly "set" then it becomes a molecule Energy supplied with a very specific time structure and so you can with a spectrally extremely broadband pulse Selectively stimulate the molecule at a vibrational rotation level, because the molecule in this way is again selective on one Self-oscillation is stimulated. This principle of excitation could you then also use to generate a photoacoustic signal.

Die 6 zeigt ein lichtinduziertes Piezosignal für den selektiven Nachweis von CO2 bei 1.57 μm.The 6 shows a light-induced piezoelectric signal for the selective detection of CO 2 at 1.57 μm.

Ein weiterer Vorteil dieses Sensorkonzeptes für Anwendungen bei der Früherkennung von Brandaerosolen liegt in der Möglichkeit einer vollständig fasergekoppelten Ausführung der Sensorelemente. Damit ist es möglich, mit nur einer einzigen Lichtquelle (Laser oder LED) eine große Anzahl von Mikrosensorelementen über Multiplexing anzusteuern. Eine mögliche Ausführungsform dieses Multisonden-Konzeptes ist in der 9 gezeigt.Another advantage of this sensor concept for applications in the early detection of fire aerosols lies in the possibility of a fully fiber-coupled design of the sensor elements. This makes it possible to use a single light source (laser or LED) to control a large number of microsensor elements via multiplexing. One possible embodiment of this multi-probe concept is in 9 shown.

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Claims (9)

Vorrichtung zur Detektion von Molekülen in Gasen, Brandaerosolen und Prozessgasen mit: – wenigstens einer Lichtquelle, – einem akustischen Resonator zur lichtinduzierten Verstärkung von Schallsignalen, und – Detektormitteln gekennzeichnet durch einen einen Stimmgabel- und einen Resonatorabschnitt aufweisenden Block.Device for the detection of molecules in gases, fire aerosols and process gases with: - at least a light source, An acoustic resonator for light-induced amplification of sound signals, and - Detector means marked by a tuning fork section and a resonator section having block. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block einstückig aus Piezomaterial besteht und ein Piezo-Mikrosensorelement als Detektor und einen Stimmgabelabschnitt vereint.Device according to claim 1, characterized in that that the block consists of piezomaterial in one piece and a piezo microsensor element as a detector and a tuning fork section united. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block einstückig aus Piezomaterial besteht und ein Piezo-Mikrosensorelement als Detektor und einen Stimmgabelabschnitt vereint.Device according to claim 1, characterized in that that the block consists of piezomaterial in one piece and a piezo microsensor element as a detector and a tuning fork section united. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Mikrosensorelement eine vertikale Ausnehmung aufweist, zur Belassung zweier vertikaler Flanken nach Art einer Stimmgabel.Device according to Claim 1 or 2, characterized in that the piezo-microsensor element has a vertical recess, for leaving two vertical flanks in the manner of a tuning fork. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Mikrosensorelement aus temperaturbeständigem GaPO4 besteht.Apparatus according to claim 1 to 4, characterized in that the piezo-microsensor element consists of temperature-resistant GaPO 4 . Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Mikrosensorelement aus Langasit besteht.Device according to Claims 1 to 4, characterized the piezo microsensor element consists of langasite. Verfahren zur Detektion von Molekülen in Gasen, Brandaerosolen und Prozessgasen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht gegenläufig in den Bereich zwischen den Stimmgabelflanken mittel GRIN-Linsen eingekoppelt wird, wobei die Linsen zur Reflektion von Schallwellen als Resonatorflächen angeordnet sind.Method for the detection of molecules in Gases, fire aerosols and process gases according to one of the preceding Claims, characterized in that laser light in opposite directions in the area between the tuning fork edges using GRIN lenses is coupled, wherein the lenses for the reflection of sound waves are arranged as Resonatorflächen. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch selektive Molekülanregung mittels „geformter Femtosekunden" erzeugt durch einen Femtosekunden-Weisslichtlaser.Method according to claim 7, characterized by selective Molecular excitation by means of "shaped femtoseconds" generated by a femtosecond white light laser. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Erkennung abgestimmt auf die Gase NOx und COx und eine Auswertung ihres mengenmäßigen Vorhandenseins im Verhältnis zueinander, zur rechnergestützten Vorhersage, ob ein von einem Brand erzeugtes Brandgas oder Aerosol vorliegt.A method according to claim 8, characterized by a detection matched to the gases NO x and CO x and an evaluation of their quantitative presence in relation to each other, for computer-aided prediction of whether there is a fire gas or aerosol generated by a fire.
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