DE10002106A1 - Kombinationslichtquelle und Analysesystem unter Verwendung derselben - Google Patents

Abstract

Eine Kombinationslichtquelle für einen Wellenlängenbereich von ca. 180 nm bis 2500 nm umfaßt eine Mehrzahl von Einzellichtquellen (11, 24) und einen faseroptischen Lichtleiter (22), in den die von den Einzellichtquellen (11, 24) abgegebene Strahlung über ein Einkoppelsystem einkoppelbar ist und der eingangsseitig in eine Mehrzahl von Teillichtleiter (20) aufgeteilt ist, die jeweils aus mindestens einer optischen Faser bestehen und die jeweils einer Einzellichtquelle (11 bzw. 24) zugeordnet und mit dieser über ein separates Einkoppelsystem (16, 26) gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kombinationslichtquelle für einen Wellenlängenbereich von ca. 180 nm bis 2500 nm, umfassend eine Mehrzahl von einzelnen Lichtquellen und einen faseroptischen Lichtleiter, in den von den einzelnen Lichtquellen abge­ gebene Strahlung über ein Einkoppelsystem einkoppelbar ist.

In der Analytik mit spektroskopischen Methoden (Absorption, Fluoreszenz, . . .) wird Licht verschiedener Wellenlängen verwendet. Der Infrarot (IR)-Bereich oberhalb von 1,0 µm wird vor allem mit InGaAs-, InAs- bzw. PbS-Detektoren abgedeckt, während im Ultravioletten (UV), sichtbaren (VIS) und nahen Infrarot (NIR)-Bereich von 190 nm bis 1,0 µm, insbesondere Silizium-Detektoren, z. B. Photodioden, Diodenarrays sowie CCD-Zeilen und CCD-Arrays zum Einsatz kommen.

Eine breitbandige Lichtquelle im Bereich von ca. 190 nm bis ca. 2,5 µm existiert bislang nicht. Sowohl bei der spektralen Leistung bzw. Leistungsdichte als auch bei der Abstrahlcharakteristik kann die Forderung nach ausreichender Homoge­ nität unabhängig von der Wellenlänge nicht erfüllt werden. Deswegen hat man sogenannte Kombilampensysteme entwickelt, bei denen der gesamte Wellenlän­ genbereich mit zwei Lampen unterschiedlicher Spektren überdeckt wird. Für breitbandige Anwendungen werden vor allem Deuteriumlampen im UV-Bereich und Halogenlampen im VIS- bzw. IR- und NIR-Bereich verwendet. Es gibt zwei unterschiedliche Systeme, die kommerziell erhältlich sind. Bei dem einen System werden die Abstrahlcharakteristiken beider Lampen mit einem Spiegel, dessen Reflexion bzw. Transmission wellenlängenabhängig ist, kollinear überlagert. Bei dem anderen System wird eine Reihenschaltung von Halogenlampen und einer Deuteriumlampe ("Durchscheinlampe") verwendet.

In den letzten Jahren wurden in der Analytik die Volumina reduziert, um Kleinst­ mengen analysieren zu können. Hierzu ist eine Signalerhöhung notwendig, indem man durch Fokussieren des Lichtes die Leistungsdichte erhöht. Bei diesem Kon­ zept können faseroptische Systeme als angepaßte Mikrosysteme eingesetzt wer­ den.

Für die vorstehend genannten Anwendungen haben die oben genannten Kombi­ lampensysteme den Nachteil, daß das Licht der beiden Lampen nicht optimal in das faseroptische System eingekoppelt werden kann. Es müssen Kompromisse bezüglich der spektralen Leistung und des Spektralbereiches gemacht werden:

• a) Wenn eine Durchscheinlampe mit einer Halogenlampe verwendet wird, be­ nötigt man einen breitbandigen Achromat. Jedoch ist die eingekoppelte Leistung gering, da die Apertur eines breitbandigen UV-Achromaten be­ grenzt ist und nur ein halber Öffnungswinkel von üblicherweise 0.08 rad zur Verfügung steht, wenn ein Wellenlängenbereich von ca. 200 bis 800 nm überdeckt wird.
• b) Mit UV-Quarzglaslinsen großen Durchmessers kann entweder nur der UV- Bereich oder nur der VIS-IR-Bereich mit hoher Leistung optimal in das fa­ seroptische System eingekoppelt werden, da aufgrund der Materialdisper­ sion sich die Brennweiten der UV-Linsen insbesondere im UV-Bereich mit der Wellenlänge stark ändern.
• c) Bei Spiegelsystemen ist die Fokussierung zwar wellenlängenunabhängig, sie sind jedoch sehr aufwendig zu justieren. Die erforderlichen UV-Refle­ xionsschichten sind entweder teuer oder werden durch das UV-Licht ge­ schädigt, so daß die Transmission der Spiegelsysteme nach kurzer Zeit im UV-Bereich stark reduziert ist.

Zu Punkt b) ist noch anzumerken, daß die Materialdispersion von Quarzglas und die sich daraus ergebende chromatische Aberration der Fokussierungslinse nor­ malerweise zu unterschiedlichen Brennpunkten und auch unterschiedlichen ra­ dialen Toleranzen bei der Einkopplung in das faseroptische System führt. Zusätz­ lich wird auch ein unterschiedliches Modenspektrum bei der Einkopplung in das faseroptische System angeregt, so daß aufgrund der üblicherweise kurzen Länge der optischen Faser oder Fasern ein unterschiedliches Modenspektrum am Fa­ serende vorliegt. Dadurch wird das Fernfeld der strahlenden Faserendfläche be­ einflußt, so daß die Abstrahlcharakteristik vor allem im UV-Bereich stark unter­ schiedlich ist.

Weiterhin stören bei vielen spektroskopischen Anwendungen die schmalbandigen Emissionslinien der Deuteriumlampe im VIS-Bereich, z. B. bei ca. 480, 580 und 650 nm, so daß man einen wellenlängenselektiven Strahlteiler bzw. Spiegel ein­ setzen sollte. Der Spiegel als wellenlängenunabhäniges Element und die beiden Lampen müssen relativ aufwendig justiert werden, um über den gesamten Wel­ lenlängenbereich eine optimale spektrale Leistung zu erhalten. Ferner sind diese Anordnungen teurer als eine Linsenordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kombinationslichtquelle der ein­ gangs genannten Art anzugeben, die an ihrem Ausgang eine relativ homogene Intensitätsverteilung über den gesamten Wellenlängenbereich hat und deren Lei­ stung in den Spektralbereichen, insbesondere im UV-Bereich auf relativ einfache Weise verändert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtleiter ein­ gangsseitig in eine Mehrzahl von Teillichtleitern aufgeteilt ist, die jeweils aus min­ destens einer optischen Faser bestehen und die jeweils einer Einzellichtquelle zugeordnet und mit dieser über ein separates Einkoppelsystem gekoppelt sind.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann nun nicht nur die Erzeugung der erfor­ derlichen Strahlung durch die Verwendung einer geeigneten Lampe, sondern auch die Einkopplung des Lichtes in das faseroptische System in Anpassung an den jeweiligen Wellenlängenbereich optimiert werden. Dies ermöglicht es, am Ausgang des faseroptischen Systems, d. h. am Ausgang der Kombinationslicht­ quelle, Licht der geeigneten Wellenlänge mit relativ gleichförmiger Intensität zur Verfügung zu stellen.

Für den gesamten Wellenlängenbereich können beispielsweise drei Einzellampen vorgesehen sein, wobei beispielsweise für den Wellenlängenbereich von 180 bis 1050 nm zwei Einzellichtquellen verwendet werden, die vorzugsweise breitbandig sind, während der übrige Wellenlängenbereich von einer dritten Lampe abge­ deckt wird. Für den UV-Wellenlängenbereich von 180 nm bis 400 nm kann man dabei in an sich bekannter Weise eine breitbandige Deuteriumlampe verwenden. Um den Wellenlängenbereich der Deuteriumlampe nach oben hin zu begrenzen kann zwischen der Deuteriumlampe und dem zugehörigen Teillichtleiter ein Kurz­ passfilter mit einer Grenzwellenlänge von 350 bis 450 nm angeordnet sein.

Da das Einkoppelsystem jeweils nur für einen bestimmten Wellenlängenbereich ausgelegt werden muß, kann man auch ein Einkoppelsystem in Form einer Lin­ senanordnung verwenden. Zumindest die für den UV-Bereich bestimmte Linsen­ anordnung besteht dabei vorzugsweise aus Quarzglas. Alternativ kann auch Glas aus MgF verwendet werden. Die Linsenanordnung ermöglicht es, das Licht der Deuteriumlampe bei einer Wellenlänge mit maximaler Effizienz in den zugehöri­ gen Teillichtleitern einzukoppeln. Das Linsensystem kann auch einen UV-Achro­ maten umfassen.

Wenn der axiale Abstand zwischen der Linsenanordnung und dem Eintrittsende des Teillichtleiters einstellbar ist, kann die Wellenlänge optimaler Einkoppeleffizi­ enz ausgewählt werden. Für den UV-Bereich kann der Abstand beispielsweise so eingestellt werden, daß die Wellenlänge optimaler Einkoppeleffizienz im Wellen­ längenbereich unterhalb von 220 nm liegt.

Anstelle eines Linsensystems kann das Einkoppelsystem auch ein Spiegelsystem sein. Für die Einkopplung des Lichtes der Deuteriumlampe trägt die Spiegelfläche vorzugsweise eine UV-Reflexionsbeschichtung und hat eine wellenlängenunab­ hängige Abbildungscharakteristik.

Die räumliche Anordnung und Justierung des Spiegelsystems läßt sich vereinfa­ chen, wenn für das Spiegelsystem ein off-axis-Spiegel verwendet wird. Das Spie­ gelsystem kann aber auch ein optimiertes System nach Gregory, Cassegrain oder Newton sein.

Nicht nur die Einkoppelsysteme, sondern auch die Fasern der verschiedenen Teillichtleiter können auf die verschiedenen Wellenlängenbereiche optimiert wer­ den und somit beispielsweise aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Insbe­ sondere können sich die Fasern verschiedener Teillichtleiter in der Zusammen­ setzung des Kernglases und/oder Mantelglases bezüglich des Wassergehaltes, d. h. des Hydroxylgehaltes (-OH) und des Wasserstoffgehaltes (D₂) und bezüglich von Defekten unterscheiden. Auch können die Fasern verschiedener Teillichtleiter sich im Durchmesser des Faserkernes oder der Gesamtfaser unterscheiden. Auf diese Weise kann man die Faserquerschnittsfläche der spektralen Leistungs­ dichte des einzukoppelnden Lichtes anpassen.

Die für den UV-Bereich verwendeten Fasern bestehen vorzugsweise aus solari­ sationsarmem Quarzglas, während beispielsweise die Fasern der Teillichtleiter, die der oder den einzelnen Lichtquellen für den Wellenlängenbereich oberhalb von 400 nm zugeordnet sind, aus Standardglas mit hohem oder auch mit niedri­ gem Wasseranteil bestehen können. Für den Wellenlängenbereich oberhalb von 1050 nm sollten die Fasern zweckmäßigerweise aus wasserarmem Glas bestehen. Als weitere Möglichkeiten kommen kristalline IR-Fasern oder Fluorid-Fasern in Betracht.

Die Teillichtleiter werden vorzugsweise so zusammengeführt, daß der der UV- Lichtquelle zugeordnete Teillichtleiter am Austrittsende des Gesamtlichtleiters in dessen Zentrum liegt, während die Faser oder Fasern des oder der übrigen Teil­ lichtleiter im Mantelbereich des Gesamtlichtleiters angeordnet sind. Wegen der geringeren Leistungsdichte der UV-Lichtquelle wird für die Übertragung des UV- Lichtes vorzugsweise eine relativ dicke Zentralfaser verwendet, während die Fa­ sern der übrigen Teillichtleiter einen geringeren Durchmesser haben können. Die dünneren Fasern der übrigen Teillichtleiter können symmetrisch oder asymme­ trisch bezüglich der an die UV-Lichtquelle angeschlossenen Zentralfaser ange­ ordnet sein. Die asymmetrische Anordnung ist dabei vorzugsweise so gewählt, daß die um die Zentralfaser herumliegenden dünneren Fasern achsparallel ne­ beneinander liegen. Der Zweck dieser Anordnung wird weiter unten noch näher erläutert.

Für die Erzeugung breitbandigen Lichtes hoher Leistungsdichte können mehrere gleichartige Lampen verwendet werden, wobei unterschiedliche Wellenlängenbe­ reiche dieser Lampen dadurch ausgewählt werden, daß sie einen unterschiedli­ chen Abstand zu den Eintrittsenden des ihnen jeweils zugeordneten Teillichtlei­ ters haben.

Zur Vergleichmäßigung des von der Kombinationslichtquelle abgegebenen Lich­ tes über den gesamten Wellenlängenbereich hin ist es zweckmäßig, wenn der Gesamtlichtleiter ausgangsseitig an einen Sammelleiter angekoppelt ist, der wie­ derum aus einer einzelnen Faser oder aus einem Bündel gleichartiger Fasern be­ stehen kann. Die Kopplung erfolgt über einen Stecker. Dies gibt insbesondere die Möglichkeit, in dem Sammelleiter einen Modenmischer anzuordnen, der es er­ möglicht, auch bei kurzer Länge des Sammelleiters eine Modengleichverteilung zu erreichen.

Das Vorsehen des Sammelleiters ermöglicht es ferner, aus dem am Ausgang der Kombinationslichtquelle angebotenen Strahlungsspektrum Licht einer bestimmten Wellenlänge auszuwählen, indem nur Licht aus einem bestimmten Querschnitts­ bereich des Austrittsendes des Gesamtlichtleiters in den Sammelleiter eingekop­ pelt wird. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn das Eintrittsende des Sammelleiters und das Austrittsende des Gesamtlichtleiters radial und/oder axial relativ zuein­ ander verstellbar sind. Durch eine radiale Verschiebung des Eintrittsende des Sammelleiters relativ zum Austrittsende des Gesamtleichtleiters kann ein be­ stimmter Teil des Querschnittes des Austrittsendes des Gesamtlichtleiters in Flucht mit dem Eintrittsende des Sammelleiters gebracht werden und somit ein bestimmter Teil der Querschnittsfläche ausgeblendet oder eingeblendet werden. Wegen des unterschiedlichen Durchmessers der Fasern der Teillichtleiter in dem Gesamtlichtleiter und wegen des unterschiedlichen Austrittswinkels des Lichtes aus diesen Fasern kann eine entsprechende Steuerung auch durch eine Verän­ derung des axialen Abstandes zwischen dem Eintrittsende des Sammelleiters und dem Austrittsende des Gesamtlichtleiters erreicht werden. Dieser Effekt läßt sich noch dadurch verstärken, daß die Austrittsenden der die Zentralfaser oder den zentralen Teillichtleiter umgebenden Fasern gegenüber der Achse der zentralen Faser geneigt sind.

Die vorstehenden beschriebenen Effekte werden auch durch das Durchmesser­ verhältnis von Sammelleiter und Gesamtlichtleiter beeinflußt, wobei der Durch­ messer des Sammelleiters gleich oder größer als der maximale Durchmesser der lichtführenden Kernbereiche der Fasern im Gesamtlichtleiter sein kann, so daß bei koaxialer Anordnung der beiden Lichtleiter das von dem Gesamtlichtleiter austretende Licht im wesentlichen vollständig in den Sammelleiter eingekoppelt werden kann. Um den Sammelleiter biegsam zu halten, kann die Anordnung auch so getroffen sein, daß das Eintrittsende des Sammelleiters ein konisches Einkop­ pelteil hat, dessen Eingangsdurchmesser gleich oder größer als der maximale Durchmesser der lichtführenden Kernbereiche der Fasern im Gesamtlichtleiter ist, während das dem Gesamtlichtleiter ferne Ende des konischen Einkoppelteiles ei­ nen geringeren Durchmesser hat, der so gewählt ist, daß der sich anschließende zylindrische Sammelleiter ausreichend biegsam ist, um beispielsweise durch ei­ nen Modenmischer geführt werden zu können.

Mit der erfindungsgemäßen Kombinationslichtquelle kann man erreichen, daß die einer bestimmten Anwendung zugewandte Faserendfläche des Gesamtlichtleiters als UV-VIS-IR-Strahler betrachtet werden kann, dessen Abstrahlcharakteristik na­ hezu wellenlängenunabhängig ist und nur durch die numerische Apertur der Fa­ sern von ca. 0,24 im UV-Bereich und 0,22 im NIR-Bereich bestimmt wird. Damit wird erreicht, daß bei einer Verwendung der Kombinationslichtquelle das gleiche Beobachtungsvolumen ausgeleuchtet wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein optisches Analysesystem zur spektrometrischen Untersuchung von Proben mit mindestens einer Lichtquelle, einer Meßzelle zur Aufnahme der Probe und einer Spektrometeranordnung. Erfindungsgemäß ist da­ bei die Lichtquelle eine Kombinationslichtquelle der vorstehend beschriebenen Art, wobei die Spektrometeranordnung mindestens zwei Spektrometer umfaßt, und der optische Eingang der Meßzelle mit dem Austrittsende des Gesamtlicht­ leiters oder Sammelleiters der Kombinationslichtquelle und der optische Ausgang der Meßzelle mit dem Eintrittsende eines Faserbündels gekoppelt ist, das aus­ trittsseitig in den Spektrometern zugeordnete Teilbündel aufgeteilt ist.

Das durch die Meßzelle hindurchgetretene Licht wird nun durch die Aufspaltung des zwischen der Meßzelle und der Spektrometeranordnung vorgesehenen De­ tektorfaserbündels auf die verschiedenen Spektrometer verteilt, so daß das Licht in den verschiedenen Wellenlängenbereichen analysiert werden kann. Vorzugs­ weise sind dabei die Fasern der Teilbündel austrittsseitig in Anpassung an den Spektrometerspalt linear nebeneinander angeordnet. Die Fasern der Teilbündel können auf der Eintrittsseite des Faserbündels regellos über dessen Querschnitt verteilt sein. Vorzugsweise sind die Fasern aber auf der Eintrittsseite des Faser­ bündels regelmäßig so angeordnet, daß das Beobachtungsvolumen gleichmäßig erfaßt wird, d. h., daß jedes Teilbündel gleiche Lichtanteile an den gleichen Berei­ chen des Beobachtungsvolumen erhält.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfin­ dung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Analysesy­ stems und einer erfindungsgemäßen Kombinationslichtquelle,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Kombinations­ lichtquelle mit zwei Einzellichtquellen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Eintrittsenden der Teillichtleiter und des Austrittsendes des Gesamtlichtleiters gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung für verschiedene Vari­ anten der Faseranordnung in dem Gesamtlichtleiter,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Schnittstelle zwischen dem Ge­ samtlichtleiter und dem Sammellichtleiter bei koaxialer Anordnung der beiden Lichtleiter,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der überlagerten Querschnitte des Gesamtlichtleiters und des Sammelleiters bei koaxialer Anordnung gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung mit radial gegeneinan­ der verschobenen Lichtleitern,

Fig. 8 eine der Fig. 6 entsprechende Darstellung bei radial gegeneinan­ der verschobenen Lichtleitern,

Fig. 9 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine der Fig. 6 entsprechende Darstellung für die in Fig. 9 darge­ stellte Ausführungsform,

Fig. 11 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung mit einem gegenüber dem Gesamtlichtleiter axial verstellbaren Sammelleiter,

Fig. 12 und 13 schematische Darstellungen der Schnittstelle zwischen Ge­ samtlichtleiter und Sammelleiter für unterschiedliche Anord­ nungen der eine zentrale Faser in dem Gesamtlichtleiter um­ gebenden Fasern,

Fig. 14 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung für eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem konischen Ein­ gangsteil des Sammelleiters.

Das in Fig. 1 dargestellte Analysesystem umfaßt eine Kombinationslichtquelle 10, eine Meßzelle 12 und eine Detektoranordnung 14.

Die Kombinationslichtquelle 10 hat eine erste Lampe 11, die beispielsweise eine breitbandige Standarddeuteriumlampe ist. Diese ist in einem Kühlkörper 13 ein­ gebaut. Das von der Deuteriumlampe erzeugte UV-Licht wird mittels einer UV- Linsenanordnung 16, bestehend aus synthetischem Quarzglas oder aus einem anderen UV-transmittierenden Material wie Magnesium- oder Kalziumfluorid oder einem UV-Achromat auf das Eintrittsende 18 eines Teillichtleiters 20 fokussiert, der zusammen mit weiteren Teillichtleitern 20 zu einem Gesamtlichtleiter 22 ver­ einigt ist. Eine weitere Einzellichtquelle ist von einer Halogenlampe 24 gebildet, die Licht im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich aussendet. Das er­ zeugte Licht wird mit Hilfe einer Linsenanordnung 26 auf das Eintrittsende des dieser Lampe 24 zugeordneten Teillichtleiters 20 fokussiert. Wie der weitere Teil­ lichtleiter 20 zeigt, können auch noch weitere Einzellichtquellen vorgesehen sein. Jeder Teillichtleiter kann aus einer Einzelfaser oder aus einem Bündel dünner Fasern bestehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der der Deuterium­ lampe 11 zugeordnete Teillichtleiter von einer Einzelfaser 30 gebildet (Fig. 2), während der der Halogenlampe 24 zugeordnete Teillichtleiter 20 aus einem Bün­ del dünner Fasern 28 besteht.

Fig. 3 zeigt auf ihrer linken Seite die beiden Eintrittsenden der Teillichtleiter 20, nämlich oben das der Halogenlampe 24 zugeordnete Bündel aus dünnen Fasern 28 und unten die der Deuteriumlampe 11 zugeordnete Einzelfaser 30. Auf der rechten Seite der Fig. 3 erkennt man dann das Austrittsende des Gesamtlicht­ leiters 22 mit der in der Mitte angeordneten zentralen Einzelfaser 30 und den symmetrisch bezüglich der Einzelfaser im Kreis um die Einzelfaser 30 herum an­ geordneten Fasern 28 des Faserbündels.

Fig. 4 zeigt verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der Fasern 28 um die zentrale Faser 30, wobei auf der rechten Hälfte der Fig. 4 oben eine erste Aus­ führungsform dargestellt ist, bei der die dünnen Fasern des der Halogenlampe zugeordneten Teillichtleiters asymmetrisch bezüglich der Achse der zentralen Einzelfaser 30 eng nebeneinander angeordnet sind. Bei der darunter liegenden Anordnung sind die Fasern 28 symmetrisch im Kreis um die Einzelfaser 30 herum angeordnet. Die dritte Ausführungsform schließlich zeigt eine Anordnung, bei welcher der der Halogenlampe zugeordnete Teillichtleiter nur eine einzige Faser 28 hat.

Der Gesamtlichtleiter 22 ist über einen Stecker 32 mit einem Sammelleiter 34 ver­ bunden, der seinerseits wiederum aus einer Einzelfaser oder einem Faserbündel bestehen kann. Die Fig. 5 zeigt den Sammelleiter 34 in Form einer Einzelfaser, deren Durchmesser dem der zentralen Einzelfaser 30 in dem Gesamtlichtleiter 22 entspricht.

Der Sammelleiter 34 ist bezüglich des Gesamtlichtleiters 22 in radialer Richtung und axialer Richtung verstellbar, wie dies durch die Pfeile 36 und 38 in Fig. 5 angedeutet ist. Befinden sich der Gesamtlichtleiter 22 und der Sammelleiter 34 in der in Fig. 5 dargestellten Stellung relativ zueinander, so zeigt Fig. 6, daß praktisch nur Licht aus der zentralen Einzelfaser 30 des Gesamtlichtleiters 22 in den Sammelleiter 34 übertreten kann. Licht aus den Fasern 28, welche die zen­ trale Faser 30 umgeben, wird dagegen nicht in den Sammelleiter 34 eingekoppelt.

Wird dagegen der Sammelleiter 34 relativ zu dem Gesamtlichleiter 22 radial ver­ stellt, wie dies Fig. 7 zeigt, so wird nun ein Teil der Querschnittsfläche der Ein­ zelfaser 30 abgedeckt, dafür aber Licht der Faser 28 in den Sammelleiter 34 übertragen, wie dies die Darstellung der Fig. 8 zeigt.

In Fig. 5 erkennt man ferner einen mit 40 bezeichneten Modenmischer, mit des­ sen Hilfe das Modenvolumen in dem Sammelleiter 34 so verändert werden kann, daß die Abstrahlcharakteristik am Austrittsende des Sammelleiters 34 nahezu wellenlängenunabhängig wird.

Fig. 9 zeigt eine weitere Möglichkeit des kontinuierlichen Veränderns der von den beiden Lampen 11 und 24 stammenden Lichtanteile durch eine axiale Ver­ schiebung des Sammelleiters 34 relativ zum Gesamtlichtleiter 22. Der Sammel­ leiter 34 hat einen Durchmesser, der gemäß Fig. 9 größer ist als der maximale Durchmesser der lichtführenden Querschnittsfläche des Gesamtlichtleiters 22. Somit wird bei der koaxialen Anordnung der beiden Lichtleiter gemäß Fig. 9 nicht nur das Licht aus der zentralen Faser 30, sondern auch das Licht aus den radial äußeren dünneren Fasern 28 des Gesamtlichtleiters 22 in den Sammellei­ ter 34 eingekoppelt. Wird nun gemäß der Fig. 11 der Sammelleiter 34 von dem Gesamtlichtleiter 22 axial entfernt, so tritt zwar noch ein relativ großer Anteil der zentralen Faser 30 in den Sammelleiter 34 ein, der Anteil des aus den radial äu­ ßeren Einzelfasern 28 austretenden Lichtes, das noch in die Sammelfaser 34 ge­ langen kann, wird dagegen drastisch vermindert, wie dies Fig. 12 zeigt.

Fig. 13 zeigt wiederum eine Ausführungsform, bei der die Enden der ringförmig um die Zentralfaser 30 herum angeordneten Bündelfasern 28 nicht parallel zur Achse der Zentralfaser 30 liegen, sondern gegenüber dieser gekippt angeordnet sind, so daß wiederum der größte Anteil der von diesen radial äußeren Fasern ausgehenden Strahlen in die Sammelfaser 34 gelangen kann. Auf diese Weise läßt sich das Verhältnis der Lichtanteile verändern. Allerdings kann in diesem Fall die Faserendfläche so gekrümmt sein, daß der maximale Winkel der Abstrahlcha­ rakteristik deutlich reduziert wird; die gekrümmte Endfläche wirkt wie eine Kolli­ matorlinse.

Fig. 14 zeigt eine Anordnung, bei der ähnlich wie bei der Ausführungsform ge­ mäß Fig. 9 die Lichtanteile aller Fasern in die Sammelfase eingekoppelt werden können, wobei das Eintrittsende der Sammelfaser 34 konisch ausgebildet ist. Dies gibt die Möglichkeit, auch bei einem großen Querschnitt des Gesamtlichtleiters 22 alle Lichtanteile in die Sammelfaser einzukoppeln, andererseits aber einen relativ geringen Querschnitt des Sammelleiters 34 beizubehalten, so daß dieser eine gewisse Flexibilität behält, die erforderlich ist, damit der Sammelleiter auf einer kurzen Länge durch den Modenmischer geführt werden kann. Es ist anzumerken, daß das konische Teilstück das Modenvolumen so ändert, daß man sich dem Modengleichgewicht nähert.

Gemäß Fig. 1 ist das Austrittsende des Sammelleiters 34 an den optischen Ein­ gang einer Meßzelle 12 angeschlossen. Diese kann beispielsweise an einer Ab­ sorptionszelle, eine Fluoreszenzzelle, eine Reflexionszelle oder Kapillare bzw. ein Flüssigkeitslichtwellenleiter sein, um Wasserverunreinigungen oder dergleichen zu messen. Zum Beispiel kann die Kapillare an der Innenoberfläche mit einer Te­ flonbeschichtung versehen sein, so daß die Kapillare zusammen mit der zu unter­ suchenden Flüssigkeit einen Lichtwellenleiter erzeugt. Dies ermöglicht große Ab­ sorptionslängen.

An den optischen Ausgang der Meßzelle 12 schließt sich wiederum ein Lichtlei­ tersystem an, das ähnlich aufgebaut ist, wie die Lichtleiter 22 und 34 auf der Ein­ gangsseite. So ist an die Meßzelle 12 unmittelbar eine Einzelfase 42 angekop­ pelt, die über einen Stecker 44 mit einem Faserbündel 46 verbunden ist. Dieses besteht im Gegensatz zu dem Gesamtlichtleiter 22 aus Fasern eines einheitlichen Fasertyps, die ebenso wie die Einzelfaser 42 vorzugsweise aus Quarzglas mit ei­ nem geringen Wassergehalt besteht. Auf der Ausgangsseite ist das Faserbündel 46 in Teilbündel 48 aufgeteilt, die jeweils zu einem faseroptischen Sensor, bei­ spielsweise einem Spektrometer 50 führen, wobei die Spektrometer 50 jeweils ei­ nen speziellen Wellenlängenbereich überdecken. Die Einzelfasern der Teilbündel 48 können dabei auf der dem jeweiligen Spektrometer 50 zugekehrten Austritts­ seite in einer linearen Anordnung nebeneinander angeordnet sein. Weiterhin kann der Modenmischer in den Stecker integriert werden, vor allem dann, wenn die Sammelfaser relativ kurz ist.

Claims (39)

1. Kombinationslichtquelle für einen Wellenlängenbereich von ca. 180 nm bis 2500 nm, umfassend eine Mehrzahl von Einzellichtquellen (11, 24) und ei­ nen faseroptischen Lichtleiter (22), in den die von den Einzellichtquellen (11, 24) abgegebene Strahlung über ein Einkoppelsystem einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (22) eingangsseitig in eine Mehrzahl von Teillichtleiter (20) aufgeteilt ist, die jeweils aus mindestens einer optischen Faser (30, 28) bestehen und die jeweils einer Einzellicht­ quelle (11 bzw. 24) zugeordnet und mit dieser über ein separates Einkop­ pelsystem (16, 26) gekoppelt sind.

2. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den gesamten Wellenlängenbereich mindestens zwei, vorzugswesie drei Einzellampen vorgesehen sind.

3. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß für den Wellenlängenbereich von 180 bis 1050 nm zwei Ein­ zellichtquellen vorgesehen sind.

4. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einzellichtquellen breitbandig sind, oder daß eine der Ein­ zellichtquellen breitbandig und die andere Einzellichtquelle als Lini­ enstrahler ausgebildet ist.

5. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine der Lichtquellen eine breitbandige Deuterium­ lampe (11) für den UV-Wellenlängenbereich von ca. 180 nm bis 400 nm ist.

6. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Deuteriumlampe (11) und dem zugehörigen Teillichtleiter (20) ein Kurzpaßfilter mit einer Grenzwellenlänge von 350 bis 450 nm angeord­ net ist.

7. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Einkoppelsystem eine Linsenanordnung (16, 26) ist.

8. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die für den UV-Bereich bestimmte Linsenanordnung (16) aus Quarzglas besteht.

9. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Einkoppelsystem einen UV-Achromaten umfaßt, der vorzugsweise un­ terschiedliche UV-Strahlung durchlassende Materialien enthält.

10. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen der Linsenanordnung (16, 26) und dem Eintrittsende des Teillichtleiters (20) jeweils einstellbar ist.

11. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das jeweilige Einkoppelsystem ein Spiegelsystem ent­ hält.

12. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche eine UV-Reflexionsbeschichtung trägt und eine wellen­ längenunabhängige Abbildungscharakteristik hat.

13. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spiegelsystem von einem off-axis-Spiegel gebildet ist.

14. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem ein optimiertes System nach Gregory, Cassegrain oder Newton ist.

15. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zu verschiedenen Teillichtleitern (20) gehörenden Fasern aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

16. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Fasern verschiedener Teillichtleiter (20) in der Zusammensetzung des Kernglases und/oder Mantelglases bezüglich des Wassergehaltes und bezüglich von Defekten unterscheiden.

17. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Fasern verschiedener Teillichtleiter (20) im Durch­ messer des Faserkernes oder der Faser unterscheiden.

18. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die für den UV-Bereich verwendeten Fasern aus solari­ sationsarmem Quarzglas bestehen.

19. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fasern der Teillichtleiter (20), die der oder den Ein­ zellichtquellen (24) für den Wellenlängenbereich oberhalb von 400 nm zu­ geordnet sind, aus Standardglas, vorzugsweise Quarzglas, mit hohem oder niedrigem Wasseranteil bestehen.

20. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fasern der Teillichtleitern (20), die der oder den Einzellichtquellen für den Wellenlängenbereich oberhalb von 1050 nm zu­ geordnet sind, aus wasserarmem Glas bestehen.

21. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der der UV-Lichtquelle (12) zugeordnete Teillichtleiter (30) am Austrittsende des Gesamtlichtleiters (22) im Zentrum und die Faser oder Fasern (28) des oder der übrigen Teillichtleiter (20) um den zentralen Teillichtleiter (30) herum angeordnet sind.

22. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die um den zentralen Teillichtleiter (30) liegenden Fasern (28) symmetrisch bezüglich der Lichtleiterachsen angeordnet sind.

23. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die um den zentralen Teillichtleiter (30) liegenden Fasern (28) asymme­ trisch bezüglich der Lichtleiterachse angeordnet sind.

24. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die nicht-UV-Lampen gleich sind und daß sie einen unterschiedlichen Abstand zu dem jeweiligen Eintrittsende der ihnen zuge­ ordneten Teillichtleiter (20) haben.

25. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Lichtleiter (22) ausgangsseitig an einem Sammel­ leiter (34) angekoppelt ist.

26. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelleiter (34) eine Einzelfaser ist.

27. Kombinationslichtquelle nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelleiter (24) ein Faserbündel aus gleichen Fasern ist.

28. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Sammelleiters (34) gleich oder größer als der maximale Durchmesser der lichtführenden Kernbereiche der Fasern (30, 28) im Gesamtlichtleiter (22) ist.

29. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Sammelleiters (34) ein Modenmi­ scher (40) angeordnet ist.

30. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser oder Fasern des Sammelleiters (34) aus solarisationsarmem und wasserfreiem Quarzglas bestehen.

31. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende des Sammelleiters (34) und das Austrittsende des Gesamtlichtleiters (22) radial und/oder axial relativ zu­ einander verstellbar sind.

32. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende des Sammelleiters (34) ein koni­ sches Einkoppelteil hat, dessen Eingangsdurchmesser gleich oder größer als der maximale Durchmesser der lichtführenden Kernbereiche der Fasern (28, 30) des Gesamtlichtleiters (22) ist.

33. Kombinationslichtquelle nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der um den zentralen Teillichtleiter (30) herum angeordneten Fasern (28) gegenüber der Achse des zentralen Teil­ lichtleiters (30) geneigt sind.

34. Optisches Analysesystem zur spektrometrischen Untersuchung von Proben mit mindestens einer Lichtquelle, einer Meßzelle zur Aufnahme der Probe und einer Spektrometeranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Kombinationslichtquelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 33 ist, daß die Spektrometeranordnung mindestens zwei Spektrometer (50) umfaßt, daß der optische Eingang der Meßzelle (41) mit dem Austritts­ ende des Gesamtlichtleiters (22) oder Sammelleiters (34) der Kombinati­ onslichtquelle (10) gekoppelt ist und daß der optische Ausgang der Meß­ zelle (41) mit dem Eintrittsende eines Faserbündels (42, 46) gekoppelt ist, das austrittsseitig in den Spektrometern (50) zugeordnete Teilbündel (48) aufgespaltet ist.

35. Analysesystem nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Fa­ sern der Teilbündel (48) austrittsseitig linear nebeneinander angeordnet sind.

36. Analysesystem nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der Teilbündel (48) auf der Eintrittsseite des Faserbündels re­ gellos über den Querschnitt desselben verteilt sind.

37. Analysesystem nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der Teilbündel (48) auf der Eintrittsseite des Faserbündels (42, 46) regelmäßig so angeordnet sind, daß das Beobachtungsvolumen gleichmäßig erfaßt wird.

38. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 bis 37, da­ durch gekennzeichnet, daß das Faserbündel (46) eine Einzelfaser mit op­ timierter Transmission enthält.

39. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 bis 38, da­ durch gekennzeichnet, daß die Faser oder Fasern des Sammelleiters (34) aus solarisationsarmem und wasserfreiem Quarzglas bestehen.