DD143138A3

DD143138A3 - Anordnung zum laserspektroskopischen absorptionsnachweis

Info

Publication number: DD143138A3
Application number: DD20436778A
Authority: DD
Inventors: Siegfried Raab; Kuno Hoffmann; Yurij Kosichkin; Anatoli Shirokov
Original assignee: Siegfried Raab; Kuno Hoffmann; Yurij Kosichkin; Anatoli Shirokov
Priority date: 1978-03-23
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1980-08-06
Also published as: DE2908047A1; GB2020013A; FR2420744A1; GB2020013B; SU979885A1

Description

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Anordnung zum laserspektroskoplschen Absorptionsnachweis

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar in der Laserspektroskopie für Substanzuntersuchungen. Sie bewirkt, eine. Erhöhung der Uachweisempfindlichkeit von Atomen und Molekülen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Anordnungen zur Spektroskopie im Resonator bekannt. Dabei ist die Absorptionskuvette im Laserresonator angeordnet, wodurch ein vielfacher Durchgang der Laserstrahlung durch die Küvette und damit eine Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit erreicht wird. Ferner ist ein Resonator bekannt, der aus einem Resonatorspiegel eines Halbleiterlaser, insbesondere eines Injektionslasers, auf der einen Seite und einem Beugungsgitter auf der anderen Seite besteht. Dadurch ist ein Resonatorsystem gegeben, das aus einem aktiven Resonator, begrenzt durch die Resonatorspiegel des Halbleiterlasers, und einem passiven Resonator, begrenzt durch den an den passiven Resonator grenzenden Resonatorspiegel, der total entspiegelt ist, und dem Beugungsgitter besteht

£ J.A. Rossi u.a., "High-power narrow-line width operation of GaAs diode lasers" Appl.PhyScLett., Vol. 23, No. 1, 1 July 1973]? Mit einem solchen Resonator ist in Abhängigkeit von der Anzahl der ausgeleuchteten Gitterstriche ein bestimmter spektraler Bereich selektierbar und über einen großen spektralen Bereich des optischen Gewinns des Halbleiterlasers abstiiambar.

Ein solcher Resonator eignet sich wegen seiner geringen Resonatorgüte nicht für die Absorptionsspektroskopie im Resonator, weil die praktisch erreichbare Küvettenverlängerung sehr gering ist und damit für die Erhöhung der Uachv/eisempfindlichkeit keine Bedeutung hat. Eine Anwendung eines solchen abstimmbaren Resonators in der Absorptionsspektroskopie ist nicht bekannt, da die Halbwertsbreiten der Resonatormoden auf Grund der geringen Resonatorgüten groß sind und sich für laserspektroskopische Anwendungen, wie S₉ B. für die hü'chs tauf lösende Spektroskopie, nicht eignen.

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, Halbleiterlaser insbesondere für die Spektroskopie innerhalb des Resonators anwenden und damit die ITachweisempfindlichkeit erhöhen zu können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, .eine für den Einsatz eines Halbleiterlasers in der Absorptionsspektroskopie im Resonator geeignete Anordnung anzugeben. Die Aufgabe wird bei einer Anordnung zum laserspektroskopischen Absorptionsnachweis mit .einem Halbleiterlaser, dessen Resonatorsystem aus einem optisch aktiven Resonator, der beiderseits durch einen Spiegel begrenzt ist, und einem an den aktiven Resonator angrenzenden passiven Resonator, der auf der einen Seite durch einen Spiegel des aktiven Resonators und auf der anderen Seite durch ein Beugungsgitter begrenzt ist, besteht, als Anregungslichtquelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reflexionskoeffizient des das Resonatorsystem begrenzenden Spiegels R₁^I ist, der Reflexionskoeffizient des den passiven Resonator begrenzenden Spiegels R₁ » Rp >0 ist, der Reflexionskoeffizient des Beugungsgitters Ro » R2 ist, daß das absorbierende Medium innerhalb des passiven Resonators oder außerhalb des Resonatorsystems angeordnet ist und daß eine nachweiseinrichtung entweder hinter dem optisch aktiven Resonator als Kombination aus Spektrometer und Registriervorrichtung oder hinter dem passiven Resonator als Registriervorrichtung ohne Spektrometer angeordnet ist.

Durch Selektion eines schmalen spektralen Bereiches mit dem Beugungsgitter ist die Wellenlänge auf die jeweilige Absorptionslinie im spektralen Bereich des optischen Gewinns einstellbar und kann durch Wahl der Länge des passiven Resonators und der Anzahl der ausgeleuchteten

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Gitterstriche breitbandiger oder auch schmalbandiger als die jeweilige Absorption eingestellt werden. Durch einen bestimmten Absorptionsverlust, der entsprechend seinem absoluten Y/ert aus dem Absorptionsverlust eines absorbierenden Mediums oder aus demselben und einem zusätzlichen Absorptionsverlust besteht, wird die Resonatorgüte des Resonators mit den Reflexionskoeffizienten R- und Ro soweit verringert, daß die Moden des optisch aktiven Resonators mit den Reflexionskoeffizienten R| und Rp anschwingen und durch BÄodenkonkurrenz die Intensität der spektral selektierten Moden/Mode nichtlinear verringert wird und dadurch sich die Nachweisempfindlichkeit wesentlich erhöht, wobei die Absorption breitbandiger als der spektralselektierte Bereich sein muß. Pur den Pail, daß die Absorption schmalbandiger als der spektralselektierte Bereich ist, tritt durch Modenkonkurrenz eine Intensitätsverringerung und eine Verbreiterung des spektralselektierten Bereiches auf, die eine Erhöhung der üaehweisempfindlichkeit bewirken, und wird der bestimmte Absorptionsverlust erreicht, so tritt zusätzlich eine nichtlineare Intensitätsverringerung auf, die die Nachweisempfindlichkeit erhöht.

Eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gegeben, daß sich das absorbierende Medium im optisch passiven Resonator befindet, der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R.J < 1 aufweist und die Nachweiseinrichtung der absorbierten Intensität als Kombination aus Spektrometer und Registriervorrichtung hinter dem optisch aktiven Resonator angeordnet ist.

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Bei einer anderen Anordnung nach der Erfindung befindet sich das absorbierende Medium ebenfalls im optisch passiven Resonator. Der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel weist einen Reflexionskoeffizienten von R₁ < auf. Als Nachweiseinrichtung ist eine Registriervorrichtung hinter dem geeichten spektralselektiv und abstimmend wirkenden Beugungsgitter angeordnet. So ist ein Nachweis der durch eine andere Beugungsordnung ausgekoppelten Laserstrahlung ohne Spektrometer möglich. Eine Absorptionsspektroskopie durch einen abstimmbaren Halbleiterlaser ohne Spektrometer wird auch ermöglicht, wenn das absorbierende Medium hinter dem Beugungsgitter außerhalb des Resonatorsystems und die Nachweiseinrichtung der Absorption als Registriervorrichtung hinter dem absorbierenden Medium angeordnet ist, wobei der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R₁ ·< 1 aufweist.

Eine Anordnung für einen Einsatz in der höchstauflösenden Absorptionsspektroskopie ist dadurch gegeben, daß der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R.J = 1 aufweist, sich das absorbierende Medium-innerhalb oder außerhalb des Resonatorsystems befindet und die Nachweiseinrichtung als Registriervorrichtung hinter dem passiven Resonator angeordnet ist. Durch die totale Verspiegelung des das Resonatorsystem begrenzenden Spiegels wird die Resonatorgüte des Resonatorsystems und damit die Halbwertsbreite der abstimmbaren und selektierten Moden/Mode wesentlich verringert und somit eine Anwendung z. B. in der höchstauflösenden Absorptionsspektroskopie innerhalb und außerhalb des Resonators möglich.

Durch eine weitere Anordnung des beschriebenen Resonatorsystems, in der der einseitig total verspiegelte und anderseitig teilentspiegelte Halbleiterlaser sich in einer Druckkammer befinde't, wird der optische Gewinn des Halbleiterlasers über einen großen spektralen Bereich abgestimmt.

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Die Peinabstirrjriung dieses Resonatorsystems erfolgt dann, wie bereits beschrieben, durch das Beugungsgitter, und eine Absorptionsspektroskopie innerhalb: und auch außerhalb des Resonators ist mit höchster Auflösung, hoher nachweisempfindlichkeit über einen' großen Abstimmbereich ohne weitere spektrometrische Hilfsmittel mit dieser Anordnung realisierbar.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig» 1 : eine Anordnung mit innerhalb des Resonatorsystems eines Halbleiterlasers befindlichem absorbierenden Medium und hinter dem optisch aktiven Resonator angeordneter Nachweis-Vorrichtung,

Fig. 2: eine Anordnung mit innerhalb des Resonatorsystems befindlichem absorbierenden Medium und hinter dem Beugungsgitter des optisch • passiven Resonators angeordneter Registriervorrichtung ohne Spektrometer,

Fig. 3: eine Anordnung, bei der hinter dem Beugungsgitter des optisch passiven Resonators das absorbierende Medium und eine Registriervorrichtung ohne Spektrometer angeordnet sind,

Fig. 4: eine Anordnung, bei der der das Resonatorsystem begrenzende Resonatorspiegel des optisch aktiven Resonators total verspiegelt ist, das absorbierende Medium sich innerhalb oder außerhalb des Resonatorsystems befindet und die Registriervorrichtung ohne Spektrometer hinter dem passiven Resonator angeordnet ist,

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Pig. 5: eine Anordnung nach Fig. 4, bei der zusätzlich der aktive optische Resonator in einer Druckkammer angeordnet ist.

Bei der Anordnung in Pig. 1 wird das Resonatorsystem C^ des Halbleiterlasers L aus dem optisch aktiven Resonator C-j mit den Laserspiegeln S-| und Sp, die den Reflexionskoeffizienten R^ und Rp haben, und dem optisch passiven Resonator Cp mit dem Reflexionskoeffizienten Ro für den Laserspiegel Sp und einem spektralselektiv und abstimmend wirkenden Beugungsgitter S^ mit dem Reflexionskoeffizienten R-3 gebildet, wobei gelten muß, daß R-j , Ro» R₂ sind,.

Das absorbierende Medium K befindet sich im passiven Resonator Co. Die durch Modenkonkurrenz beeinflußten Absorptionsverluste werden über ein Spektrometer M und eine Registriervorrichtung R nachgewiesen. Bei der in Pig. 2 gezeigten Anordnung wird das gleiche Resonatorsystem C-, wie in Pig. 2 verwendet, wobei der Nachweis der durch das im passiven Resonator Cp befindliche absorbierende Medium K erfolgten Absorptionsverluste durch Auskopplung der Laserstrahlung über das geeichte spektralselektiv und abstimmend wirkende Beugungsgitter S^ durch eine andere BeugungsOrdnung mittels einer Registriervorrichtung R ohne Benutzung eines Spektrometer erfolgt.

Die Anordnung nach Pig. 3 weist das in Pig. 1 dargestellte und vorstehend beschriebene Resonatorsystem C-, auf.

Dabei befindet sich das absorbierende Medium K zwischen dem geeichten, spektralselektiv und abstimmend wirkenden Beugungsgitter S^ und einer die Absorption nachweisenden Registriervorrichtung R. Der Absorptionsnachweis erfolgt ohne die Benutzung eines Spektrometer^ <> Bei der Anordnung nach Pig. 4 wird das Resonatorsystem C-, verwendet, wobei der Resonatorspiegel S-] total verspiegelt ist. Das absorbierende Medium K befindet sich innerhalb

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des passiven Resonators Cp oder außerhalb des', Resonatorsysterns C-,. Der Absorptionsnachweis bzw. die Absorption und der Absorptionsnachweis erfolgt durch Auskopplung der Laserstrahlung über das geeichte, spektralselektiv und abstimmend wirkende Beugungsgitter' S^ durch eine andere Beugungsordnung mit einer Registriervorrichtung R ohne Benutzung eines Spektrometers.

Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung weist das gleiche Resonatorsysteni CU wie die Anordnung nach Pig. 3 auf. Auch hier ist der Resonatorspiegel S^ total verspiegelt. Das absorbierende Medium K befindet sich innerhalb des passiven Resonators Cp oder außerhalb des Resonatorsystems Co.

Der Absorptionsnachweis bzw. die Absorption und der Absorptionsnachweis erfolgt durch Auskopplung der Laserstrahlung über das geeichte, spektralselektiv und feinabstimmend wirkende Beugungsgitter S-, durch eine andere BeugungsOrdnung mit einer Registriervorrichtung R ohne Benutzung eines Spektrometers. Der optisch aktive Resonator Cp ist in einer Druckkammer D angeordnet. Durch Druckänderung wird der optische Gewinn, des Halbleiterlasers L frequenzmäßig definiert abgestimmt. Die erfindungsgemäßen Anordnungen ermöglichen erstmalig die Anwendung von Haibleiterlasern in der Absorptionsspektroskopie im Resonator mit hoher/Nachweisempfindlichkeit, eine Abstimmung der Wellenlänge über einen großen spektralen Bereich mit hoher temperaturunabhängiger Genauigkeit und einen Einsatz in der hoch- und höchstauflösenden Absorptionsspektroskopie mit einfachen Registriereinrichtungen ohne zusätzliche spektrometrische Hilfsmittel.

Die Aufgabe des Nachweises von Atomen und Molekülen und ihren elektronischen Strukturen mit diesen Anordnungen wird mit einem direkt anregbaren Laser durch einfache Stromanregung gelöst.

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Mit der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe ergibt sich die Möglichkeit, in einfacher Welse einen vielseitigen Einsatz der Absorptionsspektroskopie zu realisieren, z„ B. in der Analysenmeßtechnik mit hoher Nachweisempfindlichkeit und hohem Auflösungsvermögen, bei der Kontrolle und beim nachweis chemischer Prozesse in der Industrie und in der Umweltkontrolle und Umweltforschung.

Claims

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Erfindungsanspruch

1. Anordnung zum laserspektroskopischen Absorptionsnachweis mit einem Halbleiterlaser, dessen Resonatorsystem aus einem optisch aktiven Resonator, der beiderseits durch einen Spiegel begrenzt ist, und einem an den aktiven Resonator angrenzenden passiven Resonator, der auf der einen Seite durch . einen Spiegel des aktiven Resonators und auf der anderen Seite durch ein Beugungsgitter begrenzt ist, besteht, als Anregungslichtquelle, gekennzeichnet dadurch, daß der Reflexionskoeffizient des das Resonatorsystem begrenzenden Spiegels R-, ^ 1 ist, der Reflexionskoeffizient des den passiven Resonator begrenzenden Spiegels R₁ >> Rp > 0 ist, der Reflexionskoeffizient des Beugungsgitters Ro» Rp ist, daß das absorbierende Medium innerhalb des passiven Resonators oder außerhalb des Resonatorsystems angeordnet ist und daß eine Nachweiseinrichtung entweder hinter dem optisch aktiven Resonator als Kombination aus Spektrometer und Registriervorrichtung oder hinter dem passiven Resonator als Registriervorrichtung ohne Spektrometer angeordnet ist₀

Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich das absorbierende Medium im optisch passiven Resonator befindet, daß der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R-, < 1 aufweist und die Nachweiseinrichtung der absorbierten Intensität als Kombination aus Spektrometer und Registriervorrichtung hinter dem optisch aktiven Resonator angeordnet ist.

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Anordnung nach Punkt 1 , gekennzeichnet dadurch, daß sich das absorbierende Medium im optisch passiven Resonator befindet, daß der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R₁ < 1 aufweist und die Nachweiseinrichtung der Absorptionsverluste als Registriervorrichtung hinter dem geeichten Beugungsgitter angeordnet ist.

Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich das absorbierende Medium hinter dem Beugungsgitter außerhalb des Resonatorsystems befindet, daß der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R-, < aufweist, und die Nachweiseinrichtung der Absorption als Registriervorrichtung hinter dem absorbierenden Medium angeordnet ist.

Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R- = 1 aufweist, sich das absorbierende Medium innerhalb oder außerhalb des Resonatorsystems befindet und die Nachweiseinrichtung als Registriervorrichtung hinter dem passiven Resonator angeordnet ist.
6. Anordnung nach Punkt 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß der optisch aktive Resonator des Halbieiterlasers in einer Druckkammer angeordnet ist.

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