DE10063151A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Fluiden - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von FluidenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Fluiden mit zumindest einer Lichtquelle, einem Wechselwirkungsraumgebiet, in dem das Licht mit dem Fluid wechselwirkt, und einer Detektionseinrichtung bezüglich der Wechselwirkung des Fluids mit dem Licht. Die Vorrichtung und das Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass eine photonische Bandgap-Struktur vorgesehen ist, wodurch sich eine im Bereich des Wechselwirkungsraumgebiets stark verminderte Gruppengeschwindigkeit und somit eine erhöhte Verweilzeit des Lichts in dem Wechselwirkungsraumgebiet ergibt. Dadurch kann das Wechselwirkungsraumgebiet stark verkleinert werden, was einen kompakten Aufbau der Vorrichtung ermöglicht.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse der qualitativen und/oder quantitati
ven Zusammensetzung von Fluiden mit zumindest einer Lichtquelle, zumindest einem
Wechselwirkungsraumgebiet, in dem eine Wechselwirkung zwischen Licht und Fluid
möglich ist, und zumindest einer Detektionseinrichtung zur Erfassung der Wechselwir
kung zwischen dem Fluid und dem Licht.
Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen, bei denen zur Analyse der Zusammenset
zung von Fluiden die spezifische Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch
die verschiedenen Komponenten des Fluids ausgenutzt wird. So weisen viele Gase wie
z. B. CO, CO2 oder CH4 charakteristische Absorptionslinien und hierbei insbesondere im
Infrarotbereich auf. Eine sehr empfindliche Detektion auch von Spurengasen ist mit der
Absorptionsmethode möglich. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass zur Erreichung hoher
Empfindlichkeit ausgedehnte Wechselwirkungsbereiche zur Verfügung gestellt werden
müssen, in denen die Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch das Fluid
stattfinden kann. Nur durch eine lange Wechselwirkungszeit des Lichts mit dem Fluid
ergibt sich ein ausreichendes Signal- zu Rauschverhältnis, mit dem eine qualitative
und/oder quantitative Analyse der Zusammensetzung von Fluiden möglich ist. Die gro
ßen Raumbereiche stehen vielen Anwendungen entgegen, bei denen eine Miniaturisie
rung der Sensoren nötig ist. Hierbei sei insbesondere beispielsweise auf den Automobil
baubereich verwiesen.
Andere Sensorprinzipien wie elektrochemische Zellen oder Halbleitergassensoren wei
sen den Nachteil auf, dass bestimmte Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Gas
komponenten oder auch z. B. gegenüber Luftfeuchtigkeit bestehen. Derartige Gassenso
ren können nicht die hohe Präzision und Selektivität von optischen Absorptionsmetho
den gewährleisten.
Die optischen Absorptionsverfahren lassen sich in nichtdispersive, dispersive und laser
spektroskopische Messverfahren einteilen. Bei den nichtdispersiven Vorrichtungen und
Verfahren wird die Absorption einer einzelnen Wellenlänge detektiert. Oftmals wird hier
bei auch noch eine Referenzwellenlänge benutzt, bei der keine charakteristische Absorption
auftritt. Insbesondere solche Geräte weisen die oben aufgeführten Nachteile
bezüglich des großen Wechselwirkungsraumbereichs auf. Dispersive Vorrichtungen und
Verfahren, bei denen eine spektrale Abhängigkeit der Fluidabsorption gemessen wird,
zeichnen sich durch teure optische Komponenten wie ein Prisma oder ein Gitter aus.
Ebenso besteht hierbei die Notwendigkeit, mit mehreren Detektoren verschiedene Wel
lenlängen zu detektieren, was aus Kostengesichtspunkten einen großen Nachteil dar
stellt.
Vielfach wird durch Multireflexionsanordnungen eine Verlängerung der Wechselwir
kungszeit des Lichts mit dem Fluid realisiert. Diese optischen Anordnungen sind jedoch
teuer und erfordern eine genaue Justage.
Bei den laserspektroskopischen Verfahren und Vorrichtungen wird ein Laser schnell
über eine Fluidabsorptionslinie abgestimmt und so ein bestimmter Bestandteil des Fluids
qualitativ oder quantitativ bestimmt. Jedoch sind die Komponenten, die solche Verfahren
erlauben, insbesondere spezielle Laserdioden hierzu vergleichsweise teuer.
Auch hier ist die Wechselwirkungszeit des Lichtes mit dem Fluid für die Nachweisemp
findlichkeit entscheidend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Fluiden zu
schaffen, welches preisgünstig zu realisieren ist und nur einen geringen Raumbedarf
aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 62 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die spezifische optische Absorption von zu
analysierenden Fluidkomponenten ausgenutzt. Die Wechselwirkungsdauer des Lichts
mit dem Fluid wird mit Hilfe einer photonischen Bandgap-Struktur erhöht.
Dadurch ist es möglich, die Selektivität und Empfindlichkeit einer optischen Absorpti
onsmethode zu verwenden, jedoch gleichzeitig bei nur einem sehr geringen Raumbe
darf eine lange Wechselwirkungszeit des Lichts mit dem Fluid zu gewährleisten.
Eine photonische Bandgap-Struktur zeichnet sich durch zumindest in einer Raumrich
tung periodische Variation des optischen Brechungsindexes aus. Ähnlich wie für Elek
tronenwellen in einem Festkörper, d. h. in einem periodischen Potential, ergibt sich für
die Propagation von Licht in einem Medium mit einem periodischen Brechungsindex
eine Bandstruktur, welche unter anderem auch eine Bandlücke ("Bandgap") aufweisen
kann. Die Dispersionsrelation (ω(k)) ist deutlich von der von elektromagnetischer Strah
lung im Vakuum oder in einem Propagationsmedium verschieden. Insbesondere nahe
des Bandgaps treten Bandverbiegungen auf, d. h. für bestimmte Wellenlängen und Fre
quenzbereiche treten in der Bandstruktur insbesondere in der Nähe des Bandgaps sehr
flache Bereiche auf. Die Steigung der Dispersionsrelation Δω/Δk ergibt die Gruppenge
schwindigkeit vgr. Daher ergibt sich insbesondere in den Bereichen nahe des Bandgaps
aufgrund der Brechungsindexperiodizität der photonischen Bandgap-Struktur in der Nä
he des Bandgaps eine im Vergleich zum Vakuum deutlich reduzierte Gruppengeschwin
digkeit. Die Reduktion der Gruppengeschwindigkeit durch die Periodizität des Bre
chungsindex der photonischen Bandgap-Struktur geht in der Regel deutlich über die
Reduktion der Gruppengeschwindigkeit alleine durch das Vorhandensein eines Materi
als mit einem Brechungsindex von 1 verschieden hinaus.
Die Gruppengeschwindigkeit gibt an, mit welcher Geschwindigkeit sich der Schwerpunkt
eines Wellenpakets in einem Medium ausbreitet. Damit wird klar, dass für diejenigen
Wellenlängen und Frequenzen, bei denen eine flache Bandstruktur vorliegt, eine lang
same Propagation in der photonischen Bandgap-Struktur erfolgt, und sich somit die
Möglichkeit ergibt, das Licht in einem kleinen Raumbereich über einen vergleichsweise
langen Zeitraum mit einem Fluid wechselwirken zu lassen.
Da in photonischen Bandgap-Strukturen Bereiche mit einer Gruppengeschwindigkeit
von null vorliegen, und diese kontinuierlich in eine "lineare" Dispersionsrelation mit end
licher Steigung übergehen, ist eine Reduktion der Gruppengeschwindigkeit im Vergleich
zum Vakuum um einen beliebigen Faktor möglich.
Aus physikalischen Gründen müssen die Perioden der eingesetzten Strukturen im Be
reich der interessierenden Wellenlänge liegen, d. h. z. B. für mittleres Infrarot Periodizi
täten im Bereich 0,5 µm bis 15 µm.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Lichtquelle po
lychromatisch ist. Dadurch dass Licht mit verschiedenen Wellenlängen durch die Licht
quelle zur Verfügung gestellt wird, ist es möglich, die Absorption des Fluids in verschie
denen Wellenlängenbereichen zu ermitteln und somit die Zusammensetzung des Fluids
in bezug auf verschiedene Komponenten gleichzeitig zu ermitteln.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Licht
quelle monochromatisch ist. Wird die Wellenlänge des Lichts entsprechend einer Ab
sorptionslinie eines zu analysierenden Fluidbestandteils gewählt, so ist es möglich, mit
kostengünstigen optischen Komponenten den hochsensiblen Sensor für eine bestimmte
Fluidkomponente zu optimieren.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Lichtquelle eine
Glühlampe, eine lichtemittierende Diode, einen Laser, eine Laserdiode, Quanten-
Kaskaden-Laser (QCL), eine Lumineszenzlichtquelle, einen selektiven thermischen
Strahler oder einen schwarzen Strahler umfasst. Eine Glühlampe, eine lichtemittierende
Diode, eine Lumineszenzlichtquelle, ein selektiver thermischer Strahler oder ein schwar
zer Strahler kennzeichnen sich durch ihre Kostengünstigkeit. Eine Glühlampe, eine Lu
mineszenzlichtquelle, ein selektiver thermischer Strahler oder ein schwarzer Strahler
kennzeichnen sich durch ein vorteilhafterweise teilweise kontinuierliches Emissions
spektrum. Ein Laser oder eine Laserdiode kennzeichnen sich vorteilhafterweise durch
ihr extrem schmalbandiges, scharfes Emissionsspektrum. Die Laserdiode weist hierbei
vorteilhafterweise gegenüber anderen Lasern in der Regel deutlich niedrigere Preise
auf. Die Glühlampe, die lichtemittierende Diode, der Laser, die Laserdiode, die Lumi
neszenzlichtquelle, der selektive thermische Strahler oder der schwarze Strahler verfü
gen in der Regel vorteilhafterweise über ein Emissionsspektrum, welches im Infrarotbe
reich liegt. Insbesondere der Bereich des Infrarotspektrums ist für die Absorption von
Fluiden von besonderem Interesse. Daher umfasst die Vorrichtung vorteilhafterweise
eine Infrarotlichtquelle.
Vorteilhafterweise ist die Lichtquelle räumlich in die photonische Bandgap-Struktur inte
griert. Insbesondere für Licht, welches aufgrund der periodischen Brechungsindexvaria
tion in der photonischen Bandgap-Struktur mit einer deutlich erniedrigten Gruppenge
schwindigkeit propagiert, ergibt sich aufgrund der erhöhten effektiven Brechungsindexes
eine sehr hohe Reflektivität bei Eintritt des Lichts in die photonische Bandgap-Struktur.
Daher ist es von Vorteil, die Lichtquelle räumlich in die photonische Bandgap-Struktur zu
integrieren, da somit eine effiziente Einkopplung des Lichts in die photonische Bandgap-
Struktur möglich ist. Beispielsweise ist es möglich, ein thermisch emittierendes Material
in einer Öffnung einer Pore oder andersartig gestalteten Hohlraum in der photonischen
Bandgap-Struktur vorzusehen.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Lichtquelle in die photonische Bandgap-
Struktur integriert ist und sie von einer optischen Kavität umgeben ist. Die optische Ka
vität beeinflusst das spontane Emissionsspektrum der Lichtquelle derart, dass sich ein
schmales, scharfbandiges Emissionsspektrum ergibt. Durch die Abmessungen und die
Formgebungen der Kavität ist es möglich, aus dem ansonsten kontinuierlichen Emissi
onsspektrum eines Materials bestimmte Bereiche herauszufiltern, in denen aufgrund der
Kavität eine erhöhte spontane Emissionsrate vorliegt (selektiver thermischer Emitter).
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die Lichtquelle in Form
einer Schicht auszuführen und sie auf der photonischen Bandgap-Struktur anzubringen.
Durch den direkten Kontakt des lichtemittierenden Materials mit der photonischen Band
gap-Struktur wird eine gute Einkopplung des Lichts in die photonische Bandgap-Struktur
gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, zwischen der
Lichtquelle und der photonischen Bandgap-Struktur einen Freistrahlraum für die Propa
gation des Lichts vorzusehen. Dadurch dass die Lichtquelle so von der photonischen
Bandgap-Struktur entkoppelt ist, ist es möglich, beide Komponenten getrennt voneinan
der zu optimieren, auszutauschen, zu reparieren und weiterzuentwickeln.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass ein Licht
wellenleiter in Form einer Faser vorgesehen ist, mit Hilfe dessen eine Lichtleitung des
Lichts auf dem Weg von der Lichtquelle zu der photonischen Bandgap-Struktur erreicht
werden kann. Lichtwellenleiter in Form von Fasern erlauben eine flexible Leitung des
Lichts und so eine räumliche Entkopplung der Lichtquelle von der photonischen Band
gap-Struktur. Weiterhin haben Lichtwellenleiter den Vorteil, dass sie an ihrem Austritt
sende eine stark gebündelte Lichtquelle darstellen, welche in ihrer räumlichen Position
und Abstrahlrichtung zeitlich sehr stabil ist. Weiterhin sind vorkonfigurierte Bausätze,
bestehend aus einer Lichtquelle zusammen mit einer bereits angeschlossenen Faser für
die Lichtwellenleitung, kommerziell zu günstigen Preisen erhältlich.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht weiterhin darin, einen inte
grierten optischen Wellenleiter für die Lichtleitung des Lichts von der Lichtquelle zu der
photonischen Bandgap-Struktur hin vorzusehen. Bei der Herstellung einer photonischen
Bandgap-Struktur oder einer Lichtquelle mittels halbleiterspezifischer Prozessschritte ist
es von Vorteil, einen optischen Wellenleiter, der das Licht von der Lichtquelle zu der
photonischen Bandgap-Struktur hinleitet, gleich mit herzustellen. Dadurch ist eine opti
male Positionierung der Lichtquelle, des Wellenleiters und der photonischen Bandgap-
Struktur möglich, so dass eine optimale Ausnutzung des von der Lichtquelle zur Verfü
gung gestellten Lichts durch eine effiziente Wellenleitung sowie Ein- und Auskopplung in
den Wellenleiter ermöglicht wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Brechungsin
dexperiodizität der photonischen Bandgap-Struktur in einer, zwei oder drei Raumrich
tungen vorgesehen ist. Eine Brechungsindexperiodizität in einer Raumrichtung besteht
beispielsweise darin, dass sich schichtförmige Bereiche mit verschiedenem Brechungs
index periodisch abwechseln. Das Licht kann hierbei senkrecht zu der Ebene der
schichtförmigen Bereiche mit einer aufgrund der Brechungsindexperiodizität verminder
ten Gruppengeschwindigkeit propagieren. Eine zweidimensionale Brechungsindexperi
odizität besteht beispielsweise darin, säulen- oder stabartige Bereiche vorzusehen, die
im Vergleich zu dem umgebenden Medium einen verschiedenen Brechungsindex auf
weisen. Eine vorteilhafte Ausführungsform hiervon besteht beispielsweise darin, mittels
stark gerichtetem Ätzen Poren mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt in Silizium
herzustellen. Durch die zweidimensionale Brechungsindexperiodizität der photonischen
Bandgap-Struktur ist es möglich, das Licht aus verschiedenen Richtungen auf die Band
gap-Struktur einzustrahlen, so dass das Licht innerhalb der Bandgap-Struktur in ver
schiedenen Richtungen propagiert. Hierbei ist jedoch immer, solange eine Propagationskomponente
senkrecht zur Porenrichtung vorliegt, eine aufgrund der Brechungsin
dexperiodizität verringerte Gruppengeschwindigkeit gegeben. Eine dreidimensionale
Brechungsindexperiodizität besteht darin, dass ein Raumbereich mit einem von dem
umgebenden Material verschiedenen Brechungsindex in drei Raumdimensionen peri
odisch wiederholt vorliegt. Durch eine derartige photonische Bandgap-Struktur kann
Licht aufgrund der Brechungsindexperiodizität in jeder beliebigen Raumrichtung inner
halb der photonischen Bandgap-Struktur mit einer niedrigen Gruppengeschwindigkeit
propagieren.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die
Geometrie der photonischen Bandgap-Struktur so beschaffen ist, dass die Bandlücke
der photonischen Bandgap-Struktur im Wesentlichen gerade ober- oder unterhalb einer
spezifischen Frequenz des von der Lichtquelle emittierten Lichts liegt. Wird von der
Lichtquelle Licht emittiert, welches eine Frequenz hat, die gerade ober- oder unterhalb
der Bandlücke der photonischen Bandgap-Struktur liegt, so ergibt sich gerade in diesen
Frequenzbereichen eine Bandstruktur mit einem flachen Bandverlauf und dementspre
chend eine niedrige Gruppengeschwindigkeit. Dies ist für eine lange Wechselwirkungs
zeit zwischen dem Licht und dem Fluid von besonderem Vorteil.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Bereiche in der
photonischen Bandgap-Struktur, die einen erniedrigten oder einen erhöhten Bre
chungsindex aufweisen, durch Poren in dem Material realisiert sind. Derartige Poren
lassen sich beispielsweise mittels eines Ätzprozesses in einem Material insbesondere
einem Halbleitermaterial schnell, präzise und kostengünstig herstellen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Po
ren die Bereiche mit einem im Vergleich zu dem umgebenden Material niedrigerem Bre
chungsindex aufweisen, und die Geometrie der photonischen Bandgap-Struktur so be
schaffen ist, dass die Bandlücke gerade unterhalb der Frequenz einer spezifischen
Lichtfrequenz, die von der Lichtquelle emittiert wird, liegt. Die Geometrie der photoni
schen Bandgap-Struktur bestimmt sich aus der Periodizitätslänge der Brechungsindex
periodizität als auch aus der Ausdehnung und Verteilung der verschiedenen Bre
chungsindices innerhalb einer Periodizitätslänge der Brechungsindexperiodizität. Bilden
die Poren den Bereich mit dem erniedrigten Brechungsindex und liegt das Licht, welches
zur Analyse des Fluids verwendet wird, mit seiner Frequenz gerade oberhalb der
Bandlücke der photonischen Bandgap-Struktur, so ergibt sich eine besonders hohe
Lichtintensität des Lichts gerade in den Bereichen der Poren. Die Lichtintensität in Be
reichen mit einem erhöhten Brechungsindex ist in diesem Falle vergleichsweise niedrig.
Dadurch dass die Lichtintensität in den Bereichen der Poren, die den niedrigen Bre
chungsindex umfassen, besonders hoch ist, ist eine Wechselwirkung mit einem Fluid,
welches sich in den Poren befindet, besonders stark. Dadurch lässt sich eine extrem
raumsparende Ausführung der Erfindung realisieren.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Bereiche mit
dem erhöhten und mit dem erniedrigten Brechungsindex die Form von Schichten auf
weisen. Eine solche Ausführungsform stellt eine einfache Ausführungsform der Bre
chungsindexperiodizität dar, welche sich entsprechend vorteilhafterweise einfach her
stellen lässt.
Eine vorteilhafte Weiterführung der Erfindung besteht darin, dass die Schichten entlang
einer spezifischen Richtung eine periodische Variation ihrer Schichtdicke aufweisen.
Dadurch ist es möglich, eine zweidimensionale periodische Brechungsindexperiodizität
zu erreichen. Eine mögliche Realisierung dieser Ausführungsform besteht darin,
schichtartige Poren in Silizium zu ätzen und während des Ätzprozesses eine zeitlich
modulierte Ätzrate zu verwenden. Hierdurch werden Schichten hergestellt, die entlang
einer spezifischen Richtung in der Schichtebene eine periodische Variation ihrer
Schichtdicke aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Bereiche mit
dem erniedrigten oder auch die Bereiche mit dem erhöhten Brechungsindex die Form
von Säulen aufweisen. Vorteilhafterweise haben die Säulen einen kreisförmigen, dreiec
kigen, viereckigen, quadratischen, rechteckigen, rautenförmigen, polygonförmigen unre
gelmäßig geformten oder hexagonalen Querschnitt. Durch die Ausbildung der Bereiche
mit einem erniedrigten oder einem erhöhten Brechungsindex in Form von Säulen, wird
eine zweidimensionale Brechungsindexperiodizität erreicht. Solche Strukturen sind mit
Ätzverfahren aus der Halbleitertechnologie einfach herzustellen.
Die Stirnseiten der Säulen bilden hierbei ein flächendeckendes periodisches Muster, so
dass sich durch die periodische Anordnung der Säulen die benötigte Brechungsindexva
riation ergibt. Das flächendeckende Muster ist hierbei vorteilhafterweise mit einer
hexagonalen, rhomboedrischen, rautenförmigen, quadratischen oder rechteckigen Ein
heitszelle vorgesehen. Durch die Auswahl der Einheitszelle des periodischen flächen
deckendes Musters der Stirnflächen der Säulen kann eine Isotropie oder Anisotropie der
Propagation des Lichts in der Ebene der Stirnflächen, d. h. senkrecht zu den säulenför
migen Bereichen, erreicht werden. Somit ist es möglich, die optischen Eigenschaften der
photonischen Bandgap-Struktur gezielt den spezifischen Anforderungen für eine Vor
richtung zur Analyse von Fluiden anzupassen. Durch verschiedene Propagationseigen
schaften in verschiedenen Raumrichtungen innerhalb der photonischen Bandgap-
Struktur ist beispielsweise eine Lichtführung innerhalb der periodischen Bandgap-
Struktur oder eine Aufspaltung des Lichts nach chromatischen Anteilen möglich.
Weisen die Säulen entlang ihrer längsten Ausdehnung eine Periodizität der Quer
schnittsfläche zu der längsten Ausbreitungsrichtung auf, so ergibt sich eine weitere vor
teilhafte Ausführungsform der Erfindung. Durch die Periodizität der Querschnittsfläche
ergibt sich eine dreidimensionale Realisierung einer Periodizität des Brechungsindex.
Sind beispielsweise die Bereiche mit einem erhöhten oder einem erniedrigten Bre
chungsindex im Vergleich zu dem restlichen Material offene Bereiche, in die das Fluid
eintreten kann, so ist es möglich, dass das Fluid parallel zu der Ausbreitungsrichtung
des Lichts in der photonischen Bandgap-Struktur die photonische Bandgap-Struktur
durchsetzt. Streuverluste, die bei der Durchstrahlung von Grenzflächen der Bereiche mit
dem erniedrigten und dem erhöhten Brechungsindex auftreten, lassen sich so weitge
hend vermeiden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass zumin
dest ein Teil der Bereiche, die einen erhöhten oder einen erniedrigten Brechungsindex
aufweisen, offene Freiräume umfassen, von denen zumindest ein Teil das zu analysie
rende Fluid enthalten. Dadurch dass die photonische Bandgap-Struktur offene Freiräu
me für das zu analysierende Fluid zur Verfügung stellt, ist eine besonders gute Wech
selwirkung des aufgrund der Brechungsindexperiodizität der photonischen Bandgap-
Struktur verlangsamten Lichts mit dem zu analysierenden Fluid möglich. Dies wirkt sich
vorteilhaft auf eine mögliche Reduktion des räumlichen Ausdehnungsbereichs der pho
tonischen Bandgap-Struktur aus.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Frei
räume zumindest auf einer Seite der photonischen Bandgap-Struktur offen sind. Durch
diese Öffnung ist es möglich, das Fluid, das sich in den Freiräumen befindet, auszutau
schen bzw. laufend zu erneuern.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Frei
räume zumindest auf zwei Seiten der photonischen Bandgap-Struktur offen sind. Diese
Öffnung auf zwei Seiten der Freiräume ermöglicht ein Durchströmen der Freiräume mit
dem zu analysierenden Fluid. Dadurch sind kurzfristige Änderungen der Zusammenset
zung des Fluids schnell detektierbar.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die photoni
sche Bandgap-Struktur zumindest auf einer Seite der photonischen Bandgap-Struktur
ein gradiertes Brechungsindexprofil aufweist. Durch die erniedrigte Gruppengeschwin
digkeit, insbesondere im Bereich für Frequenzen in der Nähe der Bandlücke, weist die
photonische Bandgap-Struktur für Licht mit Frequenzen in der Nähe der Bandlücke ei
nen besonders hohen effektiven Brechungsindex auf. Dies führt zu einer stark erhöhten
Reflektivität des Materials für Licht mit einer spezifischen Wellenlänge. Es stellt somit
ein Problem dar, das Licht in die photonische Bandgap-Struktur einzukoppeln. Ein gra
diertes Brechungsindexprofil auf einer Seite der photonischen Bandgap-Struktur ent
spricht effektiv einer Entspiegelung dieser Seite. Durch ein gradiertes Brechungsindex
profil wird ein kontinuierlicher Anstieg des effektiven Brechungsindexes erreicht und so
mit die Einkopplung des Lichts in die photonische Bandgap-Struktur deutlich verbessert.
Das gradierte Brechungsindexprofil kann durch die Veränderung der Periodizitätslänge
realisiert werden als auch durch die Variation der geometrischen Abmessungen der Be
reiche mit einem erhöhten und einem erniedrigten Brechungsindex innerhalb einer Peri
odizitätslänge.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die photonische
Bandgap-Struktur einen Referenzbereich umfasst, in dem sich ein Referenzfluid befin
det, dessen Eigenschaften und Zusammensetzung als Referenz für die Messung des zu
analysierenden Fluids herangezogen werden können. Dadurch dass ein Referenzbe
reich mit einem Referenzfluid vorgesehen ist, lässt sich eine deutliche Steigerung der
Präzision der Analysegenauigkeit der Vorrichtung erreichen. Vorteilhafterweise ist in
dem Referenzbereich das Referenzfluid hermetisch eingeschlossen. Die somit einmal
eingestellte Referenz der Vorrichtung bedarf keiner weiteren Wartungs- oder Erneue
rungsprozeduren, sondern lässt sich bereits vor der Herstellung der Vorrichtung dauer
haft gewährleisten.
Vorteilhafterweise hat die photonische Bandgap-Struktur die Form eines Prismas. Durch
den hohen effektiven Brechungsindex der photonischen Bandgap-Struktur ergibt sich
eine extrem starke chromatische Aufspaltung des Lichts dadurch dass die photonische
Bandgap-Struktur die Form eines Prismas aufweist. Durch die chromatische Aufspaltung
des Lichts ist es möglich, einen breiten spektralen Bereich bezüglich der Absorption des
Lichts durch das Fluid zu untersuchen. Dies erlaubt die Detektion mehrere Fluidkompo
nenten gleichzeitig.
Weiterhin ist es möglich, durch die Geometrie der Periodizität der photonischen Band
gap-Struktur ein Brechungsindexprofil derart zu gestalten, dass sich gegeben durch den
Brechungsindex effektiv ein Prisma darstellt, auch wenn die äußere Form der photoni
schen Bandgap-Struktur nicht die Form eines Prismas aufweist. Dies ist z. B. dadurch
gegeben, dass der effektive Brechungsindex in einem Raumbereich der photonischen
Bandgap-Struktur einen höheren Wert hat als in einem anderen Raumbereich der pho
tonischen Bandgap-Struktur, und dass der Bereich, der einen erhöhten Brechungsindex
aufweist, die Form eines Prismas hat.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass inner
halb der Vorrichtung beispielsweise innerhalb der photonischen Bandgap-Struktur ein
Katalysator vorgesehen ist, der zumindest auf eine Komponente des zu analysierenden
Fluids eine katalytische Wirkung hat. Der Katalysator sollte dabei so vorgesehen sein,
dass das Fluid Kontakt zu dem Katalysator hat. Mittels des Katalysators ist es möglich,
eine chemische Reaktion eines Bestandteils des Fluids zu katalysieren bzw. überhaupt
erst zu ermöglichen. Dadurch ist es möglich, Produkte innerhalb der photonischen
Bandgap-Struktur herzustellen, die sich besonders gut mittels Absorptionsspektroskopie
nachweisen lassen. Weiterhin ist es möglich, vor bzw. hinter dem Katalysator das Fluid
spektroskopisch zu vermessen und somit den Ablauf der Reaktion zu verfolgen. Auch ist
es möglich, eine der beiden Messungen als Referenz für die andere Messung heranzu
ziehen. Eine vergleichende Messung der Zusammensetzung des Fluids vor und nach
der katalytischen Reaktion erlaubt eine Erhöhung der Präzision mit der bestimmte Fluid
komponenten nachgewiesen werden können.
Vorteilhafterweise ist der Katalysator ganz oder zumindest teilweise auf der Innenseite
der Freiräume vorgesehen, die das zu analysierende Fluid umfassen. Dadurch wird ein
besonders guter Kontakt des Fluids mit dem Katalysator gewährleistet. Weiterhin ist es
von Vorteil, eine Heizeinrichtung vorzusehen, mit der der Katalysator selektiv beheizt
werden kann. Dadurch lässt sich eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit errei
chen.
Vorteilhafterweise umfasst die photonische Bandgap-Struktur im Wesentlichen ein Mate
rial, das zumindest für eine Wellenlänge des Lichts, das von der Lichtquelle emittiert
wird, im Wesentlichen transparent ist. Eine Transparenz des Materials, welches die
photonische Bandgap-Struktur im Wesentlichen umfasst, bzw. aus dem die photonische
Bandgap-Struktur hergestellt ist, ist insofern von Bedeutung als dass sich aufgrund der
erniedrigten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts eine hohe Absorption des Lichts
auch bei nur einem kleinen Absorptionskoeffizienten des Materials ergibt. Durch die lan
ge Verweilzeit des Lichts in der photonischen Bandgap-Struktur muss für Erreichung
eines starken Lichtsignals das Material, das von dem Licht durchsetzt wird, im Wesentli
chen für das Licht transparent sein.
Vorteilhafterweise umfasst die photonische Bandgap-Struktur im Wesentlichen Silizium,
welches vorzugsweise monokristallin ist. Für Silizium sind zahlreiche halbleitertechni
sche Verfahrensschritte entwickelt und optimiert, so dass sich eine optimale Integration
in bestehende halbleitertechnische Fertigungsprozesse gewährleisten lässt. Weiterhin
stellt Silizium ein Material dar, welches auch in sehr hohen Produktqualitäten zu günsti
gen Preisen erhältlich ist, und welches im infraroten Spektralbereich eine ausreichende
Transparenz für Infrarotlicht aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, eine Modulati
onseinrichtung zur zeitlichen Modulation der Lichtintensität des von der Lichtquelle emittierten
Lichts zu verwenden. Eine solche Modulation der Lichtintensität erlaubt eine er
leichterte Detektion des Lichts nach Wechselwirkung mit dem Fluid. Mittels Lock-in
Technik oder eines Signalfilters können störende Signale herausgefiltert werden, sofern
die Eingangslichtintensität zeitlich moduliert ist.
Die Modulation der Lichtintensität kann auch dadurch gegeben sein, dass eine Strom
modulationseinrichtung zur zeitlichen Modulation des Stroms, mit dem Lichtquelle ver
sorgt wird, vorgesehen ist. Durch die direkte Modulation des Stroms, mit dem die Licht
quelle versorgt wird, wird sich auch eine zeitliche Modulation der emittierenden Lichtin
tensität ergeben mit den oben benannten Vorteilen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, den Druck des zu analysie
renden Fluids mit Hilfe einer Fluiddruckmodulationseinrichtung zu modulieren. Eine
weitere Möglichkeit besteht darin, die Temperatur der photonischen Bandgap-Struktur
mittels einer Temperaturmodulationseinrichtung zu modulieren. Sowohl die Druck- als
auch die Temperaturmodulation führen zu einer Modulation der Ausdehnung der photo
nischen Bandgap-Struktur. Dadurch ergibt sich aufgrund der veränderten Dispersions
relation eine Änderung der Wechselwirkungslänge und/oder Wechselwirkungsdauer des
Lichts mit dem Fluid, wodurch sich eine Modulation der Ausgangsintensität ergibt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, das Licht, welches mit
dem Fluid in Wechselwirkung getreten ist, anschließend mit einem Detektor für Licht zu
detektieren. Diese einfachste Ausführungsform bezüglich der Detektion der Wechselwir
kung zwischen dem Licht und dem Fluid beruht darauf, einfach die Lichtintensität zu
messen, die nach der Wechselwirkung des Lichts mit dem Fluid verblieben ist. Aus der
Messung der Intensität wird auf die Absorption des Fluids in einem bestimmten spek
tralen Wellenlängenbereich geschlossen, woraus auf die Zusammensetzung des Fluids
geschlossen wird.
Vorteilhafterweise ist der Detektor als ein diskreter Detektor vorgesehen.
Unter einem diskreten Detektor ist ein einzelnes Element zu verstehen, das für sich ge
nommen als Detektor funktionsfähig ist. Ein solcher diskreter Detektor ist beispielsweise
nicht in einem integrierten Verfahren zusammen mit anderen Komponenten der Vor
richtung hergestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, einen mehrteili
gen Lichtdetektor zur Detektion des Lichts an mehreren Stellen in der Vorrichtung vor
zusehen. Dies ist besonders hilfreich in Kombination mit einer photonischen Bandgap-
Struktur, welche eine chromatische Aufspaltung des Lichts gewährleistet. Mit Hilfe eines
mehrteiligen Lichtdetektors ist es möglich, das Licht von verschiedenen Wellenlängen
bereichen räumlich getrennt und zeitlich parallel zu detektieren. Damit wird es möglich,
verschiedene Komponenten eines Fluids, dessen Zusammensetzung analysiert werden
soll, gleichzeitig zu ermitteln.
Da in der Vorrichtung vorzugsweise Infrarotlicht verwendet wird, besteht eine vorteilhafte
Ausführungsform der Erfindung darin, als Detektor ein thermoelektrisches Element vor
zusehen. Ein thermoelektrisches Element wandelt ein Wärmesignal in ein elektrisches
Signal um, welches leicht zur weiteren Verarbeitung weitergegeben werden kann. Vor
teilhafterweise ist das thermoelektrische Element in Form von Schichten z. B. auf der
photonischen Bandgap-Struktur selber vorgesehen und umfasst vorteilhafterweise Anti
mon und/oder Bismuth.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, eine Modula
tionseinrichtung so vorzusehen, dass die Lichtintensität, die auf die photonische Band
gap-Struktur fällt und von der Lichtquelle ausgesandt ist, mit einer Frequenz moduliert
ist, die der akustischen Frequenz einer Resonatormode der photonischen Bandgap-
Struktur im Wesentlichen entspricht. Durch Freiräume oder Poren in der photonischen
Bandgap-Struktur ergeben sich akustische Resonatoren. Durch die Wechselwirkung des
Lichts insbesondere des Infrarotlichts mit dem Fluid ergibt sich ein zeitlich modulierter
Druck in der photonischen Bandgap-Struktur (photoakustischer Effekt). Erfolgt die Mo
dulation des Drucks mit einer Frequenz, die einer akustischen Resonatormode der
photonischen Bandgap-Struktur im Wesentlichen entspricht, so erfolgt eine resonante
Verstärkung der Druckmodulation. Diese akustische Resonanz ist leicht zu detektieren.
Vorteilhafterweise wird die akustische Resonanz mit einem Mikrofon zur Detektion der
akustischen Schwingungen in der photonischen Bandgap-Struktur detektiert. Das Mikrofon
umfasst vorteilhafterweise ein piezoelektrisches Element, welches beispielsweise
direkt auf der photonischen Bandgap-Struktur angebracht sein kann.
Ein Mikrofon, welches ein piezoelektrisches Element umfasst, lässt sich kompakt und
kostengünstig herstellen und liefert ein elektrisches Ausgangssignal, welches direkt
weiterverarbeitet werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zur Detektion der akustischen Resonanz besteht darin,
eine Markierung, z. B. einen Spiegel, auf der photonischen Bandgap-Struktur anzubrin
gen und diese Markierung optisch zu detektieren. Dies kann beispielsweise mit einer
weiteren Lichtquelle und einem weiteren Lichtdetektor erfolgen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, eine Filtereinrichtung zur
Filterung des Ausgangssignals des vom Detektor ausgegebenen Signals vorzusehen.
Diese Filterung erfolgt vorteilhafterweise so, dass im Wesentlichen Signalkomponenten
mit der Frequenz den Filter passieren, die der Frequenz der Modulation der Lichtinten
sität des Fluiddrucks des zu analysierenden Fluids oder der Temperatur der photoni
schen Bandgap-Struktur entsprechen. Insbesondere diese Signalkomponenten sind für
die quantitative Auswertung der Absorption von besonderem Interesse und sollten von
der Filtereinrichtung durchgelassen werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Lichtquelle oder
ein Lichtleiter so vorgesehen ist, dass das Licht im Wesentlichen zur Propagation quer
zur Porenachse der photonischen Bandgap-Struktur vorgesehen ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass das Licht im Wesentli
chen zur Propagation parallel zur Porenachse in der photonischen Bandgap-Struktur
vorgesehen ist. Durch eine solche Ausführungsform ist es möglich, Streuverluste an
Grenzflächen, die bei Ein- oder Austritt des Lichts in oder aus der photonischen Struktur
auftreten, zu vermeiden. Die Vermeidung von Streulicht ist insofern vorteilhaft, als damit
eine signifikante Reduktion eigentlichen Messsignals vermieden wird und weiterhin die
Entstehung von Streulicht, welche das eigentliche Signallicht überdeckt, vorteilhafter
weise vermieden wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, eine
schlauchartige Einleiteinrichtung zur Einleitung des zu analysierenden Fluids in Richtung
der photonischen Bandgap-Struktur vorzusehen. Mit Hilfe einer schlauchartigen Ein
leiteinrichtung ist es möglich, das zu analysierende Fluid direkt und gut gebündelt der
photonischen Bandgap-Struktur zuzuleiten.
Eine Fluteinrichtung zum Fluten der photonischen Bandgap-Struktur mit dem zu analy
sierenden Fluid bildet eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Wird die
photonische Bandgap-Struktur mit dem zu analysierenden Fluid geflutet, so werden alle
Poren und Freiräume der photonischen Bandgap-Struktur mit dem zu analysierenden
Fluid durchsetzt oder gefüllt, und somit ergibt sich eine gute Messqualität, und weiterhin
kann durch das ständige Fluten der photonischen Bandgap-Struktur mit dem zu analy
sierenden Fluid eine Echtzeitmessung der Fluidkompension erfolgen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die photonische
Bandgap-Struktur oder auch den gesamten Sensor in eine mikromechanische Flusszelle
zu integrieren. Die mikromechanische Flusszelle verfügt über Einrichtungen das zu
analysierende Fluid der photonischen Bandgap-Struktur zuzuführen sowie evtl. auch
den Fluidfluss zu steuern bzw. zu regeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen
Zusammensetzung von Fluiden ist neben der Verwendung einer Lichtquelle und einer
Detektionseinrichtung zur Detektion der Wechselwirkung des von der Lichtquelle ausge
sandten Lichts mit dem Fluid dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des
Lichts der Lichtquelle aufgrund der Brechungsindexperiodizität einer photonischen
Bandgap-Struktur mit einer im Vergleich zum Vakuum verminderten Gruppengeschwin
digkeit propagiert, und zumindest ein Teil des Lichts, das aufgrund der Brechungsindex
periodizität der photonischen Bandgap-Struktur mit einer erniedrigten Gruppenge
schwindigkeit propagiert, mit einem zu analysierenden Fluid wechselwirkt.
Aufgrund der erniedrigten Propagationsgeschwindigkeit des Lichts in der photonischen
Bandgap-Struktur aufgrund der Brechungsindexperiodizität ergibt sich bei dem erfin
dungsgemäßen Verfahren eine erhöhte Wechselwirkungszeit des Lichts mit dem zu
analysierenden Fluid. Durch die verlängerte Wechselwirkungszeit ergibt sich die Möglichkeit,
den Raumbedarf bezüglich der Wechselwirkung des Lichts mit dem Fluid deut
lich zu verringern. Das Verfahren kann somit vorteilhafterweise in einem sehr kleinen
Raumbereich durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise wird die photonische Bandgap-Struktur bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren mit dem zu analysierenden Fluid beaufschlagt. Durch die Beaufschlagung der
Bandgap-Struktur mit dem zu analysierenden Fluid wird eine gute Füllung und ein guter
Durchsatz durch die Öffnungen oder Poren oder Freiräume der Bandgap-Struktur mit
dem Fluid gewährleistet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Frei
räume in der photonischen Bandgap-Struktur von einer Seite her mit dem analysieren
den Fluid gefüllt. Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Erfindung be
steht darin, das zu analysierende Fluid durch die photonische Bandgap-Struktur hin
durchzuleiten. Dadurch wird eine regelmäßige Erneuerung des Fluids in der photoni
schen Bandgap-Struktur gewährleistet, so dass eine Anpassung der Fluidkomposition in
der photonischen Bandgap-Struktur an das Fluid, das sich außerhalb der photonischen
Bandgap-Struktur befindet, erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, das Licht, wel
ches von der Lichtquelle ausgesandt wird, die Temperatur der photonischen Bandgap-
Struktur, den Strom, mit dem die Lichtquelle versorgt wird oder den Druck des zu analy
sierenden Fluids zeitlich zu modulieren. Jedes dieser Verfahren bewirkt eine Modulation
des Ausgangssignals, welches sich damit mit einem sehr guten Signal zu Rausch-
Verhältnis detektieren lässt.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass mindestens eine Kompo
nente des zu analysierenden Fluids an einer chemischen Reaktion teilnimmt, die inner
halb der photonischen Bandgap-Struktur katalysiert wird. Durch die Kombination einer
katalytischen Reaktion mit der Detektion einer spezifischen Fluidkomponente ist es
möglich, Sensoren für ganz spezifische Fluidkomponenten zu entwickeln, deren direkte
unkatalysierte Detektion aufgrund einer geringen optischen Absorption nur schwer mög
lich wäre.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass der Katalysator beheizt
wird. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit der
katalytischen Reaktion erreichen.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass eine Referenzanalyse eines
bekannten Referenzfluids durchgeführt wird, wobei die Referenzanalyse auf denselben
physikalischen Prinzipien beruht wie die Analyse des zu analysierenden Fluids selber.
Durch die Durchführung einer Referenzanalyse ist es möglich, die Funktion des Verfah
rens an sich sicherzustellen und weiterhin aufgrund der Vergleichsmöglichkeit eine er
höhte Präzision bei der Analyse der Zusammensetzung des Fluids zu erreichen.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren so ausgeführt, dass das Ausgangssignal des De
tektors gefiltert wird und im Wesentlichen nur diejenigen Signalkomponenten nicht weg
gefiltert werden, die einer spezifischen Modulationsfrequenz entsprechen. Diese Modu
lationsfrequenz kann z. B. durch die Modulation der Lichtintensität, der Temperatur der
photonischen Bandgap-Struktur, des Drucks des zu analysierenden Fluids oder des
Stroms, mit dem die Lichtquelle versorgt wird, vorgegeben sein. Diejenigen Signalkom
ponenten, die im Bereich der Wechselwirkung des Fluids mit dem Licht eine Modulation
aufweisen, stellen ein Maß für die Wechselwirkung des Lichts mit dem Fluid also insbe
sondere für dessen Absorption dar. Daher sollten diese Signalkomponenten vorteilhaf
terweise bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht weggefiltert wer
den.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens besteht weiterhin darin, das Licht, das
auf die photonische Bandgap-Struktur fällt, dispersiv aufzuspalten und das so chroma
tisch aufgespaltete Licht spektral aufgelöst zu detektieren. Durch die chromatische Auf
spaltung und spektral aufgelöste Detektion ist es möglich, verschiedene Komponenten
des zu analysierenden Fluids gleichzeitig qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens be
steht darin, dass in der photonischen Bandgap-Struktur im Wesentlichen nur Licht pro
pagiert, das einer Absorptionslinie oder Absorptionsbande derjenigen Fluidkomponente
entspricht, die in bevorzugter Weise qualitativ und/oder quantitativ analysiert wird. Da
durch dass die Frequenz oder Wellenlänge desjenigen Lichts, welches in der Bandgap-
Struktur propagiert entsprechend einer Absorptionsbande oder Absorptionslinie einer zu
detektierenden Fluidkomponente ausgewählt wird, ergibt sich eine besonders hohe Ab
sorption des Lichts im Bereich der photonischen Bandgap-Struktur durch das Fluid. Da
mit lässt sich ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleisten.
Im Folgenden werden Ausgestaltung der erfinderischen Vorrichtung und des erfinderi
schen Verfahrens mit Hilfe der anliegenden Figuren erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 Beispiel für eine photonische Bandgap-Struktur;
(hexagonaler 2D photonischer Kristall)
Fig. 2 schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor
richtung;
Fig. 3 verschiedene photonische Bandgap-Strukturen, die in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verwendet werden können;
Fig. 4 die Möglichkeiten, die Struktur einer photonischen Bandgap-Struktur zu wählen,
wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird.
Fig. 5 eine photonische Bandgap-Struktur, wie sie in der erfindungsgemäßen Vor
richtung verwendet wird, bei der prismatische Effekte auftreten;
Fig. 6 verschiedene Möglichkeiten, das Licht von der Lichtquelle zu der photonischen
Bandgap-Struktur zu leiten;
Fig. 7 verschiedene Anordnungen der Lichtquelle der photonischen Bandgap-Struktur
und des Detektors relativ zueinander;
Fig. 8 eine in die photonische Bandgap-Struktur integrierte Lichtquelle;
Fig. 9 photonische Bandgap-Strukturen mit einer gradierten Seite;
Fig. 10 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der Licht chro
matisch aufgespaltet wird, und Licht mit verschiedenen Wellenlängen detektiert
wird;
Fig. 11 eine einseitig geöffnete und eine zweiseitig geöffnete photonische Bandgap-
Struktur, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird;
Fig. 12 eine photonische Bandgap-Struktur, wie sie in der erfindungsgemäßen Vor
richtung verwendet wird, mit einem Katalysator;
Fig. 13 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwen
dung eines Katalysators und einer Referenzmessung;
Fig. 14 erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Einrichtungen zur Durchführung einer
Referenzmessung;
Fig. 15 Möglichkeiten zur Modulation des Signals;
Fig. 16 Möglichkeiten zur Detektion der Wechselwirkung zwischen dem Fluid und dem
Licht durch Anregung akustischer Schwingungen in der photonischen Bandgap-
Struktur;
Fig. 17 Detektion des Lichts mittels eines thermoelektrischen Elements;
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer photonischen Bandgap-Struktur mit den photonischen
Bändern 1. Die Bereiche 2, 3 und 4 kennzeichnen die Bereiche, in denen ein flacher
Bandverlauf vorliegt. Die Gruppengeschwindigkeit ist vgr, die sich aus dem Quotienten
Δω/Δk (5/6) ergibt. In den Bereichen 2, 3 und 4 ist die Gruppengeschwindigkeit sehr
klein. Der schraffierte Bereich 7 kennzeichnet die photonische Bandlücke für Frequen
zen ω(k). Für Frequenzen die in dem Bereich der photonischen Bandlücke liegen, ist
eine Propagation des Lichts nicht möglich.
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Lichtquelle 8, die in Richtung 9
Licht in Richtung der photonischen Bandgap-Struktur 10 aussendet. Über eine Einlass-
oder Fluteinrichtung 12 wird Fluid 13 in die photonische Bandgap-Struktur 10 eintreten.
Das austretende Fluid 14 verlässt die photonische Bandgap-Struktur 10. Ein Detektor 11
misst die Lichtintensität des Lichts, das durch die photonische Bandgap-Struktur 10 hin
durchgetreten ist. Die Bezugsziffer 57 kennzeichnet das Wechselwirkungsraumgebiet.
Fig. 3A zeigt eine eindimensionale photonische Bandgap-Struktur, wie sie in der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird. Die Bereiche mit dem erhöhten 59 und er
niedrigtem 58 Brechungsindex haben die Form von Schichten. Fig. 3B zeigt eine photo
nische Bandgap-Struktur, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet
wird, bei der die Bereiche mit erniedrigtem 58 und mit erhöhtem 59 Brechungsindex die
Form von Schichten haben, jedoch die Schichtdicke in einer Richtung 60 eine periodisch
verändernde Schichtdicke aufweisen. Dies stellt eine zweidimensionale photonische
Bandgap-Struktur dar. Fig. 3C zeigt eine weitere Ausführungsform einer zweidimensio
nalen photonischen Bandgap-Struktur, wie sie alternativ in der erfindungsgemäßen Vor
richtung verwendet wird. Hier haben die Bereiche mit erhöhtem oder erniedrigtem Bre
chungsindex die Form von Säulen. Fig. 3D zeigt ein Beispiel für eine dreidimensionale
photonische Bandgap-Struktur, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwen
det werden können. Die Säulen haben hier einen entlang ihrer Achse periodisch variie
rende Querschnittsfläche.
In Fig. 4 bezieht sich die Bezugsziffer 15 auf einen Bereich, der im Vergleich zu dem
umgebenden Material einen erhöhten oder einen erniedrigten Brechungsindex hat. Der
Bereich 15 hat die Form eines Kreises 16, Dreiecks 17, Quadrats 18, Rechtecks 19,
einer Raute 20, eines Polygons 21, eines unregelmäßig geformten Bereichs 22 oder
eines Hexagons 23 als Querschnittsfläche. Die Bereiche 15 sind gemäß einer Einheits
zelle 24 angeordnet. Die Einheitszelle 24 kann die Form einer hexagonalen 25, rhom
boedrischen 26, rautenförmigen 27, quadratischen 28 oder rechteckigen 29 Einheits
zelle haben. Eine beliebige Kombination der Einheitszellen 25 bis 29 mit den Bereichen
15, die eine Querschnittsfläche gemäß 16 bis 23 haben, wird in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verwendet.
In Fig. 5 sind Beispiele aufgezeigt, bei denen die photonische Bandgap-Struktur die
Funktion eines Prismas erfüllt. In Fig. 5A sind zwei verschiedene Bereiche 30 und 31
gezeigt, in denen die photonische Bandgap-Struktur eine verschiedene Geometrie aufweist.
Dadurch ergeben sich verschiedene effektive Brechungsindices für das verwen
dete Licht und durch die Form des Bereichs 30 bzw. der Bereiche 31 ergibt sich die
Funktion eines Prismas, welche darin besteht, das Licht chromatisch aufzuspalten. In
Fig. 5B ist eine weitere Ausführungsform einer photonischen Bandgap-Struktur 10 da
durch ausgezeichnet, dass sie die Form eines Prismas hat.
Fig. 6 zeigt die Möglichkeiten, wie das Licht einer Lichtquelle 8 zu einer photonischen
Bandgap-Struktur 10 innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung geleitet wird. In Fig.
6A ist die Möglichkeit gezeigt, mittels eines Freistrahlraumbereiches 32 das Licht der
Lichtquelle 8 der photonischen Bandgap-Struktur 10 zuzuführen. In Fig. 6B ist eine Fa
ser 33 gezeigt, die das Licht der Lichtquelle 8 der photonischen Bandgap-Struktur 10
zuführt. In Fig. 6C ist ein integrierter optischer Wellenleiter gezeigt, 34 der das Licht der
Lichtquelle 8 der photonischen Bandgap-Struktur 10 zuführt. Mindestens eine dieser
Ausführungsformen der Fig. 6A, 6B und 6C wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verwendet.
Der Chip mit dem Wellenleiter und der PBG-Struktur nach Fig. 6c könnte beispielsweise
an den beiden Enden des Wellenleiters mit Fasersteckern konfektioniert werden.
Fig. 7 zeigt die verschiedenen Möglichkeiten, die Lichtquelle 8 und den Detektor 11 re
lativ zu einer ausgezeichneten geometrischen Richtung der photonischen Bandgap-
Struktur 10 anzuordnen. In Fig. 7A propagiert das Licht der Lichtquelle 8 in einer Rich
tung senkrecht zu der Porenachse der Poren, die in der photonischen Bandgap-Struktur
10 die Bereiche mit erhöhtem oder erniedrigtem Brechungsindex 15 darstellen. In Fig. 7
propagiert das Licht der Lichtquelle 8 in einer Richtung parallel zu der längsten Ausdeh
nung der Bereiche mit einem erniedrigten oder einem erhöhtem Brechungsindex 15 in
der photonischen Bandgap-Struktur 10 auf dem Weg von der Lichtquelle 8 zu dem De
tektor 11.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält eine photoni
sche Bandgap-Struktur und eine Lichtquelle, wie sie in Fig. 8 angegeben ist. In Fig. 8A
ist in einem der Bereiche 15, die einen erniedrigten oder einen erhöhten Brechungsin
dex im Vergleich zu dem umgebenden Material aufweisen, die Lichtquelle 8 integriert.
Da, wie oben erwähnt, Licht mit Frequenzen, welche einen Bereich mit einem flachen
Bandverlauf in der photonischen Bandstruktur entsprechen, nur schwierig bzw. mit ei
nem hohem Reflexionskoeffizienten in die photonische Bandgap-Struktur eindringt, ist
es vorteilhaft, das Licht direkt in der photonischen Bandgap-Struktur zu erzeugen. Eine
weitere Ausführungsform der photonischen Bandgap-Struktur und der Lichtquelle, wie
sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden können, zeigt die Fig. 8B,
bei der ein von den Bereichen 15 verschiedener Bereich die Lichtquelle 8 enthält.
Fig. 9 zeigt die Möglichkeiten, auf zumindest einer Seite der photonischen Bandgap-
Struktur 10 ein gradiertes Brechungsindexprofil 35, 36 zu erzeugen. In Fig. 9A ist die
Möglichkeit gezeigt, die Periodizität der photonischen Bandgap-Struktur an einer Seite
zu ändern, um somit den effektiven Brechungsindex kontinuierlich zu variieren. In dem
Bereich 35 ist die Möglichkeit gezeigt, die Periodizitätslänge zu vergrößern, jedoch wäre
es alternativ ebenso möglich, die Periodizitätslänge zu verkleinern. In Fig. 9B ist die
Möglichkeit gezeigt, die Periodizitätslänge in dem Bereich 36 konstant zu lassen, jedoch
die Struktur innerhalb einer Periodizitätslänge zu variieren. Die Bereiche mit einem er
niedrigten Brechungsindex 58 werden in dem Bereich 36 von rechts nach links zuneh
mend größer, und somit ändert sich der effektive Brechungsindex in dem Bereich 36
kontinuierlich. Alternativ wäre es ebenso möglich, die Bereiche 59 mit einem erhöhten
Brechungsindex kontinuierlich von rechts nach links zu vergrößern, und so ebenfalls ein
gradiertes Brechungsindexprofil in dem Bereich 36 zu erzeugen.
Fig. 10 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der das Licht einer Lichtquelle 8 in
der photonischen Bandgap-Struktur 10 chromatisch aufgespaltet wird. Diese Aufspal
tung kann beispielsweise durch das Prisma (Fig. 5a) erreicht werden. Die Detektoren
gruppe 37 detektiert das Licht mit verschiedenen Wellenlängen. Es ist somit möglich,
gleichzeitig das Licht mit verschiedenen Wellenlängen zu detektieren.
Fig. 11A zeigt eine photonische Bandgap-Struktur 10, die an einer Seite 61 geöffnet ist
und an der anderen Seite 62 geschlossen ist. Das eintretende Fluid 13 tritt auf der Seite
61 in die photonische Bandgap-Struktur ein. Auf derselben Seite 61 verlässt das aus
tretende Fluid 14 die photonische Bandgap-Struktur 10. In Fig. 11B ist eine photonische
Bandgap-Struktur 10 dargestellt, die auf zwei Seiten geöffnet ist. Das eintretende Fluid
13 tritt auf einer Seite in die photonische Bandgap-Struktur ein. Das austretende Fluid
verlässt die photonische Bandgap-Struktur 10 auf einer anderen Seite der photonischen
Bandgap-Struktur 10. Auch wenn in Fig. 11A und 11B ein Schnitt durch eine photoni
sche Bandgap-Struktur 10 gemäß der Fig. 3A bzw. 3C gezeigt ist, ist es stattdessen
auch möglich, photonische Bandgap-Strukturen des Typs wie Abb. 3B oder 3D gezeigt
zu verwenden.
In Fig. 12 ist eine photonische Bandgap-Struktur 10 mit einem integrierten Katalysator
38 gezeigt. Das Fluid 13 tritt auf einer Seite in die photonische Bandgap-Struktur 10 ein,
und eine Komponente des Fluids reagiert mit Hilfe des Katalysators 38 gemäß einer
spezifischen chemischen Reaktion. Die austretenden Reaktionsprodukte 14 verlassen
auf einer anderen Seite die photonische Bandgap-Struktur 10. Denkbar ist hier aber
auch ein Einsatz einer photonischen Bandgap-Struktur wie in Fig. 11A dargestellt, die
lediglich auf einer Seite 61 geöffnet ist. Auch hier sei darauf hingewiesen, dass die
Schnittzeichnung der photonischen Bandgap-Struktur 10, in der Fig. 12 Schnitte der Fig.
3A und 3C darstellt, jedoch auch denkbar wäre, eine photonische Bandgap-Struktur mit
einem Katalysator gemäß den Fig. 3B und 3D zu verwenden.
Die Ausführungen von oben bezüglich der Fig. 3A und 3C gelten auch für Fig. 13. In Fig.
13 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, bei der das Licht einer Lichtquelle 8
von einem Strahlteiler 39 in zwei Strahlenbündel aufgeteilt wird. Mit Hilfe eine Spiegels
40 wird das Licht in Richtung der photonischen Bandgap-Struktur 10 abgelenkt. Die
photonische Bandgap-Struktur 10 enthält einen Katalysator 38. Das eintretende Fluid
13, welches die Ausgangsprodukte der chemischen Reaktion, die von dem Katalysator
38 katalysiert wird, enthält, wird mittels eines ersten Lichtstrahls 65 vermessen. Der
Detektor 11' registriert dabei das durch die photonische Bandgap-Struktur durchgetrete
ne Licht. Das nach Stattfinden der chemischen Reaktion, die durch den Katalysator 38
katalysiert wird, aus der photonischen Bandgap-Struktur 10 austretende Fluid 14 wird
mittels eines zweiten Lichtstrahls 66 vermessen. Der Detektor 11 registriert hierbei das
Licht, das durch das Fluid getreten ist, das die Endprodukte der chemischen Reaktion
enthält.
Fig. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfinderischen Vorrichtung, bei dem ein Teil
der photonischen Bandgap-Struktur 10' mit einem hermetischen Verschluss 41 ein Refe
renzfluid 42 enthält. Mittels eines Strahlteilers 39 wird das Licht der Lichtquelle 8 in zwei
Strahlbündel aufgeteilt, wobei ein Bündel von einem Spiegel 40 in Richtung der photonischen
Bandgap-Struktur abgelenkt wird. Das Licht, das den Referenzbereich 10' der
photonischen Bandgap-Struktur durchdringt, wird von dem Detektor 11' vermessen, und
das Licht, das durch den Bereich 10 der photonischen Bandgap-Struktur dringt, der das
zu analysierende Fluid enthält, wird von dem Detektor 11 vermessen.
Für den Fall einer dreidimensionalen photonischen Bandgap-Struktur 10 ist es abwei
chend von der Darstellung in Fig. 13 sowie auch für Fig. 14 auch möglich, die photoni
sche Bandgap-Struktur 10 mit beiden Teilstrahlen 65, 66 parallel zur Porenachse zu
durchstrahlen. Dies ist für nur einen Strahl in Fig. 7b dargestellt.
In Fig. 13b ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die photoni
sche Bandgap-Struktur 10 und der Katalysator 38 räumlich voneinander getrennt sind.
Das Fluid 13 wird in einem Teil der photonischen Bandgap-Struktur 10 zu dem Kataly
sator 38 hingeführt und nach dem Kontakt mit dem Katalysator 38 wieder durch einen
anderen Teil der photonischen Bandgap-Struktur weggeführt und dort vermessen. Alter
nativ wäre es auch möglich, das Fluid 14 nach Kontakt mit dem Katalysator 38 durch
eine zweite photonische Bandgap-Struktur abzuleiten und dort die zweite Messung
durchzuführen. Das Licht der ersten Messung durchsetzt die photonische Bandgap-
Struktur 10 senkrecht zur Porenachse oder Schichtebene in dem Bereich in dem das
Fluid 13 in der photonischen Bandgap-Struktur 10 in Richtung des Katalysators 38
strömt. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Einsatz einer dreidimensionalen photo
nischen Bandgap-Struktur mit Durchstrahlung entlang der Porenachse möglich.
Die Fig. 15 zeigt verschiedene Möglichkeiten, das Messsignal zu modulieren. Fig. 15A
zeigt eine Modulationseinrichtung 43, die das Licht, das von der Lichtquelle 8 emittiert
wird, moduliert. Während vor der Modulationseinrichtung 43 die Lichtintensität I als
Funktion der Zeit t konstant ist, zeigt die Lichtintensität I als Funktion der Zeit t hinter der
Modulationseinrichtung 43 einen zeitlich modulierten Verlauf. In Fig. 15B ist eine
Strommodulationseinrichtung 44 gezeigt, welche den Strom, mit dem die Lichtquelle 8
versorgt wird, zeitlich moduliert. Wie in Fig. 15B dargestellt, zeigt die Lichtintensität I so
als Funktion der Zeit t einen zeitlich variierenden Verlauf. In Fig. 15C ist die Möglichkeit
gezeigt, die Signalintensität durch den Druck des Fluids in der photonischen Bandgap-
Struktur 10 zu variieren. Eine Druckmodulationseinrichtung 45, die hier beispielsweise in
einer Zuleitung 12, die das Fluid der photonischen Bandgap-Struktur 10 zuführt, dargestellt
ist, moduliert zeitlich den Druck des Fluids. Dadurch erweitern oder verengen sich
die Porenöffnungen oder Freiräume in der photonischen Bandgap-Struktur 10, wodurch
sich eine Modulation des Brechungsindexes ergibt. In 15D wird statt des Drucks des
Fluids die Temperatur T als Funktion der Zeit t mittels einer Temperaturmodulationsein
richtung 46 zeitlich moduliert. Auch dies führt zu einer zeitlich variablen Änderung der
Porengröße und führt somit zu einer zeitlichen Variabilität des Brechungsindexes in der
photonischen Bandgap-Struktur 10. Durch die Druckmodulation wie in Fig. 15C darge
stellt oder durch die Temperaturmodulation wie in Fig. 15D dargestellt, ergibt sich eine
Modulation des optischen Lichtsignals, welches mit dem Detektor 11 registriert wird.
Fig. 16 zeigt eine alternative Detektionsmöglichkeit bezüglich der Wechselwirkung zwi
schen dem Fluid und dem Licht der Lichtquelle. Die in der Fig. 16 dargestellten Einrich
tungen können in jeder voran beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemä
ßen Vorrichtung oder Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden. An
statt das Licht, das die photonische Bandgap-Struktur 10 passiert hat, zu detektieren,
um die Absorption des Lichts in der photonischen Bandgap-Struktur zu ermitteln, wird
die Eigenschaft ausgenutzt, dass photonische Bandgap-Strukturen oftmals Hohlräume
enthalten, die als akustische Resonatoren dienen. Ist die Intensität I des Lichts als
Funktion der Zeit t wie in Fig. 16 dargestellt zeitlich moduliert, so ergibt sich innerhalb
der photonischen Bandgap-Struktur aufgrund der Absorption des Lichts in dem Fluid
eine zeitliche Modulation der Temperatur und damit des Drucks des Fluids in der photo
nischen Bandgap-Struktur 10. Diese zeitliche Variation des Drucks ist gleichzusetzen
mit einer akustischen Anregung des Fluids in der photonischen Bandgap-Struktur 10.
Hat die akustische Anregung eine Frequenz, die einer akustische Eigenfrequenz der
photonischen Bandgap-Struktur entspricht, so kommt es zu einer resonanten Überhö
hung der akustischen Anregung. Somit ist es besonders einfach, eine solche akustische
Anregung zu detektieren.
Zum einen ist es wie in Fig. 16A dargestellt möglich, eine Markierung 47 auf der photo
nischen Bandgap-Struktur 10 anzubringen, die in z. B. Richtung 50 hin- und heroszilliert.
Mittels einer zweiten Lichtquelle 48 und eines Markierungslichtdetektors 49 wird die Be
wegung der Marke 47 registriert. Eine weitere Möglichkeit, die akustische Anregung in
der photonischen Bandgap-Struktur 10 zu detektieren, besteht darin, ein Mikrofon 51 an
der photonischen Bandgap-Struktur 10 anzubringen. Alternativ wäre es ebenso möglich,
das Mikrofon in einem gewissen Abstand von der photonischen Bandgap-Struktur anzu
bringen, wobei jedoch zu gewährleisten ist, dass Schall von der photonischen Bandgap-
Struktur 10 bis zu dem Mikrofon 51 gelangen kann. Das Mikrofon 51 kann hierbei ein
piezoelektrisches Element umfassen, mit dem Schallwellen direkt in elektrische Span
nungen umgewandelt werden. Elektrische Spannungen lassen sich bei der Signalaus
wertung besonders vorteilhaft handhaben. Bei diesem Verfahren wird somit keine di
rekte Detektion des Lichts, das die photonische Bandgap-Struktur passiert hat, vorge
nommen, sondern dadurch, dass es möglich ist, mit Infrarotlicht akustische Anregungen
in der photonischen Bandgap-Struktur zu erzeugen und diese Anregungen eventuell
resonant überhöht werden, ist es leicht möglich, diese resonant überhöhten Schwingun
gen mittels eines Mikrofons 51 oder einer Markierung 47 zu detektieren.
Eine spezielle Ausführungsform der Detektionseinrichtung, wie sie in der erfindungsge
mäßen Vorrichtung verwendet werden kann, ist in Fig. 17 gezeigt. Auf einer Wärmesen
ke 56 sind Zuleitungen 55 gezeigt, die vorzugsweise aus einem guten elektrischen Lei
ter, z. B. Gold, gefertigt sind. Durch zwei weitere Materialien 53, 54, beispielsweise Anti
mon 53 und Bismuth 54 wird ein thermoelektrischer Kontakt 52 geschaffen, der zwi
schen den Zuleitungen 53 und 54 liegt. Die Zuleitungen 53 und 54 können hierbei optio
nal beispielsweise über die photonische Bandgap-Struktur 10 laufen. Die Zuleitungen
53, 54 sind vorteilhafterweise von der photonischen Bandgap-Struktur 10 durch eine
Isolatorschicht 67 von getrennt. Bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 17 wird das Licht
beispielsweise von unten in die photonische Bandgap-Struktur 10 eingestrahlt, und der
thermoelektrische Kontakt 52 misst die Strahlung, die durch die photonische Bandgap-
Struktur hindurchgetreten ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der thermoelektrische
Kontakt direkt auf der photonischen Bandgap-Struktur angebracht, jedoch wäre es auch
durchaus möglich, den thermoelektrischen Kontakt in einem gewissen Abstand von der
photonischen Bandgap-Struktur anzubringen, um so die Strahlung zu detektieren, die
die photonische Bandgap-Struktur durchdrungen hat. Vorteilhafterweise wird jedoch
wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der porösen Struktur, die thermoelektrische
Schicht (mit einer darunterliegenden elektrischen Isolationsschicht) direkt auf der Po
renquerschnittsfläche positioniert. Weiterhin ist es ebenfalls möglich, statt eines einzel
nen thermoelektrischen Kontakts mehrere thermoelektrische Kontakte zu verwenden,
um so an mehreren Stellen innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Detekti
onsmöglichkeit für die Strahlung zu haben. Dies kann zum einen dazu verwendet werden,
mittels mehrerer Messungen ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten
oder aber auch dazu dienen, falls das Licht chromatisch aufgespaltet wird, Licht ver
schiedener Wellenlängen gleichzeitig zu detektieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Zuhilfenahme der Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in den Figuren dargestellt sind, erläutert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren propagiert das Licht einer Lichtquelle 8 in der
photonischen Bandgap-Struktur 10 und zwar derart, dass aufgrund der periodischen
Brechungsindexvariation in der photonischen Bandgap-Struktur das Licht mit einer deut
lich verminderten Gruppengeschwindigkeit propagiert. Das Licht, welches aufgrund der
Brechungsindexperiodizität mit einer verminderten Gruppengeschwindigkeit propagiert,
kann mit dem Fluid 13 wechselwirken. Hierbei ist es zum einen möglich, dass das Fluid
sich räumlich innerhalb des Bereichs der photonischen Bandgap-Struktur befindet, also
beispielsweise den Porenfreiräumen oder anderen Öffnungen in der photonischen
Bandgap-Struktur eingelassen ist, jedoch ist es auch möglich, dass sich das Fluid nahe
bei der photonischen Bandgap-Struktur befindet, so dass das evaneszente Licht, das in
der photonischen Bandgap-Struktur aufgrund der Brechungsindexperiodizität mit einer
verminderten Gruppengeschwindigkeit propagiert, mit dem Fluid wechselwirkt. Dadurch
dass das Licht mit einer verminderten Gruppengeschwindigkeit propagiert, erhöht sich
die Verweildauer des Lichts in einem bestimmten Raumbereich. Befindet sich in diesem
Raumbereich das zu analysierende Fluid, so ergibt sich hiermit auch eine erhöhte
Wechselwirkungszeit zwischen dem Licht und dem Fluid. Dadurch kann das Wechsel
wirkungsvolumen entsprechend der Erhöhung der Aufenthaltsdauer des Lichts stark
verkleinert sein.
Im Allgemeinen wird die photonische Bandgap-Struktur mit dem zu analysierenden Fluid
beaufschlagt. Dies kann beispielsweise mit einer schlauchartigen Zuführung oder auch
mit Leitblechen oder sonstigen Fluidleitungseinrichtungen geschehen.
Die Wechselwirkung zwischen dem Licht und dem Fluid wird mit einer Detektionsein
richtung detektiert. Diese Detektionseinrichtung kann beispielsweise daraus bestehen,
dass ein Lichtdetektor das Licht, das mit dem Fluid gewechselwirkt hat, detektiert. Eine
niedrige Lichtintensität entspricht hierbei einer starken Absorption des Lichts durch das
Fluid, was auf eine hohe Konzentration einer spezifischen Fluidkomponente schließen
lässt, welche bei der Wellenlänge des verwendeten Lichts eine Absorption zeigt. Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Licht einer Lichtquelle von außen in die
photonische Bandgap-Struktur eingebracht werden, jedoch ist es auch möglich, dass
das Licht innerhalb der photonischen Bandgap-Struktur selber erzeugt wird. Falls das
Licht von einer externen Lichtquelle 8 in die photonische Bandgap-Struktur 10 einge
bracht werden soll, kann dies dadurch geschehen, dass das Licht einen Freistrahlraum
bereich 32 durchdringt oder auch von einer Faser 33 geleitet wird. Ebenfalls ist es mög
lich, einen integrierten optischen Wellenleiter 34 zu verwenden, der das Licht ebenfalls
effizient von einer externen Lichtquelle bis zu der photonischen Bandgap-Struktur leitet.
Der Einsatz von optischen Wellenleitern 33, 34 hat den Vorteil, dass die Lichtquelle und
die photonische Bandgap-Struktur voneinander getrennt sein können. Dies erhöht die
Flexibilität bei der Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, ein
optisches Element vorzusehen, welches eine chromatische Aufspaltung des Lichts be
wirkt. Vorteilhafterweise ist diese chromatische Element direkt durch die photonische
Bandgap-Struktur 10 gegeben. Wie in Fig. 10 dargestellt, wird das Licht einer Lichtquelle
8 durch die photonische Bandgap-Struktur 10 chromatisch in verschiedene Teilstrahlen
aufgeteilt, die hier von einer Gruppe von Detektoren 37 detektiert werden. Statt einer
Gruppe von Detektoren 37 ist es ebenfalls möglich, ein Array von Detektoren zu ver
wenden. Durch die gleichzeitige Detektion des Lichts mit verschiedenen Wellenlängen
ist es möglich, verschiedene Fluidkomponenten gleichzeitig zu bestimmen oder aber
auch die Präzision der Bestimmung einer einzelnen Fluidkomponente zu erhöhen. Falls
eine Fluidkomponente verschiedene Absorptionslinien hat, können diese verschiedenen
Absorptionslinien von verschiedenen Detektoren detektiert werden, und somit wird eine
höhere Präzision der Messempfindlichkeit erreicht. Falls verschiedene Fluidkomponen
ten Absorptionslinien bei verschiedenen Wellenlängenbereichen haben, so können die
se verschiedenen Wellenlängenbereiche mit verschiedenen Detektoren detektiert wer
den, und somit können verschiedene Fluidkomponenten detektiert werden.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das Fluid 13
auf einer Seite 61 der photonischen Bandgap-Struktur einzubringen. Das austretende
Fluid verlässt die photonische Bandgap-Struktur auf derselben Seite 61 (Fig. 11A).
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das
Fluid 13 auf einer Seite in die photonische Bandgap-Struktur 10 eintreten zu lassen. Hier
tritt das Fluid 14 an einer anderen Stelle aus der photonischen Bandgap-Struktur wieder
aus. Die Seiten, auf denen das Fluid 13 in die photonische Bandgap-Struktur 10 eintritt,
und das Fluid 14 aus der photonischen Bandgap-Struktur 10 wieder austritt, müssen
nicht zwangsläufig auf entgegengesetzten Seiten der photonischen Bandgap-Struktur
liegen. Bei einem schrägen Durchtritt des Fluids durch die photonische Bandgap-
Struktur können die zwei verschiedenen Seiten ebenfalls beispielsweise in einem Winkel
von 90°, jedoch auch in jedem anderen beliebigen Winkel, angeordnet sein.
Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
das Fluid einer katalytischen chemischen Reaktion zu unterziehen. Hierbei kann eine
Fluidkomponente oder aber auch das gesamte Fluid an der katalytischen chemischen
Reaktion teilhaben. Wie in Fig. 12 dargestellt, wird das Fluid mit den Ausgangsproduk
ten der katalytischen chemischen Reaktion in die photonische Bandgap-Struktur 10 ein
geleitet und reagiert innerhalb der photonischen Bandgap-Struktur mit dem Katalysator
38. Die Endprodukte der chemisch katalysierten Reaktion treten als Fluid 14 aus der
photonischen Bandgap-Struktur wieder aus.
Hierbei kann der Katalysator 38 mittels der Katalysatorheizung 63 selektiv beheizt wer
den. Die Selektivität der Beheizung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass
das Katalysatormaterial elektromagnetische Strahlung absorbiert, die von dem umge
benden Material nicht absorbiert wird. Emittiert die Katalysatorheizung 63 Infrarotlicht
einer Wellenlänge, welche von dem Katalysatormaterial 38 besonders gut absorbiert
wird, lässt sich somit eine selektive Heizung des Katalysators erreichen.
Wie in Fig. 13 dargestellt ist es somit beispielsweise möglich, die Ausgangs- und die
Endprodukte der chemisch katalysierten Reaktion zu detektieren. Ein Lichtstrahl 65
durchdringt die photonische Bandgap-Struktur in einem Bereich, in dem sich die Aus
gangsprodukte der chemisch katalysierten Reaktion befinden. Mit einem Detektor 11'
wird so eine Messung der Konzentration der Ausgangsprodukte erreicht. Mit einem
zweiten Lichtstrahl 66, der die photonische Bandgap-Struktur in einem Bereich durchtritt,
in dem die Endprodukte der chemischen Reaktion, die von dem Katalysator 38 kataly
siert wird, vorliegen, wird die Absorption der Endprodukte gemessen. Somit kann die
Konzentration der Endprodukte der chemischen Reaktion mit dem Detektor 11 bestimmt
werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, den Verlauf der chemischen Reaktion
zu verfolgen. Weiterhin ist es möglich, durch Einsatz eines geeigneten Katalysators be
züglich einer speziellen ersten Fluidkomponente eine Umwandlung dieser ersten Fluid
komponente in eine zweite Fluidkomponente zu erreichen, die sich mittels der verwen
deten Infrarot-Absorptionsspektroskopie besonders gut nachweisen lässt. Diese Art und
Weise ist ein indirekter Nachweis einer Fluidkomponente zu erreichen, die anderenfalls
schwerer zu detektieren wäre. Dies ist insbesondere dann von Interesse, falls eine
Fluidkomponente detektiert werden soll, die keine oder nur schlecht ausgeprägte Ab
sorptionsbanden aufweist, oder die Absorptionsbanden in einem Frequenzbereich lie
gen, der aufgrund von technischen Problemen schwer zugänglich ist.
Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
eine Referenzmessung zusammen mit der eigentlichen Messung durchzuführen. Wie in
Fig. 14 dargestellt, ist die photonische Bandgap-Struktur in dem Bereich 10' mit einem
Referenzfluid 42 durchsetzt, das von einem hermetischen Verschluss 41 eingekapselt
ist. Die Zusammensetzung des Referenzfluids 42 ist bekannt. Daher kann das Mess
signal des Detektors 11' als Referenzmessung benutzt werden für die Messung mit dem
Detektor 11. Der Detektor registriert hierbei das Licht, das die photonische Bandgap-
Struktur 10 in einem Bereich durchdringt, in dem die photonische Bandgap-Struktur mit
dem zu analysierenden Fluid durchsetzt ist. Die Durchführung einer Referenzmessung
erhöht zum einen die Präzision der durchgeführten Messung, zum anderen ist es mög
lich, die prinzipielle Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu kontrollieren.
Liegt das Messsignal, das der Detektor 11' außerhalb eines vorgegebenen Bereiches,
der sich aus dem Referenzfluid 42 herleitet, so muss davon ausgegangen werden, dass
die erfindungsgemäße Vorrichtung defekt ist.
Eine weitere besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, das Signal, welches von der Detektionseinrichtung bezüglich der Wechselwirkung
des Fluids mit dem Licht detektiert wird, zu modulieren. Dies kann zum einen wie in Fig.
15A dargestellt dadurch geschehen, dass eine Modulationseinrichtung 43 die Lichtin
tensität des Lichts, das auf die photonische Bandgap-Struktur 10 fällt, moduliert. Zu
sammen mit einer Filtereinrichtung 64, die Frequenzen wegfiltert, die außerhalb des
Bereiches liegen, der der Modulationsfrequenz des Lichts, das auf die photonische
Bandgap-Struktur 10 entspricht, lässt sich das Signal zu Rausch-Verhältnis deutlich ver
bessern. Die Filtereinrichtung 64 kann beispielsweise ein Lock-in Verstärker sein jedoch
auch ein einfacher Frequenzbandpass.
Eine Modulation der Lichtintensität, die auf die photonische Bandgap-Struktur fällt, kann
auch dadurch erreicht werden, dass die Stro 03438 00070 552 001000280000000200012000285910332700040 0002010063151 00004 03319mversorgung 44, die die Lichtquelle 8 mit
Strom versorgt, einen modulierten Strom abgibt. Dadurch wird direkt eine modulierte
Lichtintensität von der Lichtquelle 8 emittiert, die auf die photonische Bandgap-Struktur
10 fällt. Wie in Fig. 15C und 15D dargestellt ist, besteht auch die Möglichkeit, das Signal
durch eine Oszillation der mechanischen Struktur der photonischen Bandgap-Struktur
10 zu erreichen. Dies kann zum einen durch eine Modulation des Fluids mittels einer
Druckmodulationseinrichtung 45 geschehen, die hier beispielsweise in einem Zulauf 12
zu der photonischen Bandgap-Struktur dargestellt ist. Mittels einer Temperaturmodulati
onseinrichtung 46, wie in Fig. 15D dargestellt, ist es auch möglich, die Temperatur der
photonischen Bandgap-Struktur zeitlich zu variieren. Ebenso wie bei der Druckmodulati
on aus Fig. 15C bewirkt die Temperaturmodulation eine zeitliche Änderung der Größe
der photonischen Bandgap-Struktur und somit auch der optischen Eigenschaften der
photonischen Bandgap-Struktur. Dadurch wird das Signal, welches die photonische
Bandgap-Struktur verlässt und in Richtung des Detektors 11 austritt, zeitlich moduliert
sein. Zusammen mit dem Filter 64 lässt sich somit ein erhöhtes Signal-Rausch-
Verhältnis erreichen.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die
akustischen Resonatoreigenschaften einer photonischen Bandgap-Struktur auszunut
zen. Durch Poren oder Öffnungen in der photonischen Bandgap-Struktur ergeben sich
sehr gute akustische Resonatoren mit einer deutlich ausgeprägten Eigenfrequenz. Hat
das Licht, welches auf die photonische Bandgap-Struktur 10 fällt, eine zeitlich modulierte
Intensität, so ergibt sich aufgrund der Absorption des Lichts in dem Fluid in der photoni
schen Bandgap-Struktur eine zeitliche Modulation der Temperatur bzw. des Drucks des
Fluids. Ist die zeitliche Oszillation des Drucks auf die Eigenfrequenz des akustischen
Resonators abgestimmt, so ergibt sich eine resonante Überhöhung der akustischen Os
zillation. So eine akustische Oszillation kann beispielsweise einfach mittels eines Mi
krofons 51 wie in Fig. 16B dargestellt registriert werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei
ein Mikrofon vorzusehen, das ein piezoelektrisches Element umfasst, da ein solches
Element Druckschwankungen direkt in elektrische Signale umwandelt.
Eine weitere Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, besteht
darin, eine Markierung 50, beispielsweise einen Spiegel oder ein optisches Fadenkreuz
oder eine Markierung mit z. B. stark unterschiedlichen Helligkeitswerten, auf der photoni
schen Bandgap-Struktur 10 anzubringen. Durch die akustische Oszillation der photoni
schen Bandgap-Struktur oszilliert auch die Markierung 47 auf der photonischen Band
gap-Struktur 10. Diese Oszillation kann beispielsweise in Richtung 50 erfolgen. Eine
optische Detektion der Markierung 47 kann beispielsweise mittels einer Beleuchtung 48
und einem Markierungslichtdetektor 49 erfolgen.
Claims (78)
1. Vorrichtung zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung
von Fluiden (13, 14) mit:
zumindest einer Lichtquelle (8),
zumindest einem Wechselwirkungsraumgebiet (57), das sowohl zumindest teilweise von dem Fluid (13, 14) als auch zumindest teilweise von dem Licht der Lichtquelle (8) durchsetzbar ist, und in dem eine Wechselwirkung zwischen zumindest einem Teil des Fluids (13, 14) und einem Teil des Lichts der Licht quelle (8) möglich ist, und
zumindest einer Detektionseinrichtung (11, 11', 51, 47, 48, 49, 37) zur Erfas sung der Wechselwirkung zwischen Fluid (13, 14) und Licht der Lichtquelle (8)
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine photonische Bandgap-Struktur (10) vorgesehen ist, und für zumin dest einen Teil des Lichts der Lichtquelle (8) im Bereich des Wechselwirkungs raumgebietes (57) aufgrund der Brechungsindexperiodizität der photonischen Bandgap-Struktur (10) zumindest bezüglich einer Ausbreitungsrichtung des Lichts eine im Vergleich zum Vakuum verminderte, von Null verschiedene, Gruppenge schwindigkeit vorliegt.
zumindest einer Lichtquelle (8),
zumindest einem Wechselwirkungsraumgebiet (57), das sowohl zumindest teilweise von dem Fluid (13, 14) als auch zumindest teilweise von dem Licht der Lichtquelle (8) durchsetzbar ist, und in dem eine Wechselwirkung zwischen zumindest einem Teil des Fluids (13, 14) und einem Teil des Lichts der Licht quelle (8) möglich ist, und
zumindest einer Detektionseinrichtung (11, 11', 51, 47, 48, 49, 37) zur Erfas sung der Wechselwirkung zwischen Fluid (13, 14) und Licht der Lichtquelle (8)
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine photonische Bandgap-Struktur (10) vorgesehen ist, und für zumin dest einen Teil des Lichts der Lichtquelle (8) im Bereich des Wechselwirkungs raumgebietes (57) aufgrund der Brechungsindexperiodizität der photonischen Bandgap-Struktur (10) zumindest bezüglich einer Ausbreitungsrichtung des Lichts eine im Vergleich zum Vakuum verminderte, von Null verschiedene, Gruppenge schwindigkeit vorliegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8)
polychromatisch ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8)
monochromatisch ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtquelle (8) eine Glühlampe, eine lichtemittierende Diode, einen Laser, eine
Laserdiode, einen Quanten-Kaskaden-Laser, eine Lumineszenzlichtquelle, einen
selektiven thermischen Strahler oder einen schwarzen Strahler umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtquelle (8) eine Infrarotlichtquelle umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtquelle (8) räumlich in die photonische Bandgap-Struktur (10) integriert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtquelle (8) in die photonische Bandgap-Struktur (10) integriert ist, und sie
von einer optischen Kavität umgeben ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtquelle (8) in Form einer Schicht auf die photonische Bandgap-Struktur
(10) aufgebracht ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung einen Freistrahlraum (32) für die Propagation des Lichts der Licht
quelle (8) in Richtung der photonischen Bandgap-Struktur (10) umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Lichtwellenleiter in Form einer Faser (33) für die Lichtleitung des Lichts auf
dem Weg von der Lichtquelle (8) zu der photonischen Bandgap-Struktur (10) vor
gesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
ein integrierter optischer Wellenleiter (34) für die Lichtleitung des Lichts auf dem
Weg von der Lichtquelle (8) zu der photonischen Bandgap-Struktur (10) vorgese
hen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Brechungsindexperiodizität der photoni
schen Bandgap-Struktur (10) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Geometrie der photonischen Bandgap-Struktur (10) so beschaffen ist, dass die
Bandlücke (7) der photonischen Bandgap-Struktur (10) im Wesentlichen gerade
oberhalb oder gerade unterhalb einer spezifischen Frequenz des von der Licht
quelle (8) emittierten Lichts liegt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
in der photonischen Bandgap-Struktur (10) die Bereiche mit einem erniedrigten
oder einem erhöhten Brechungsindex (15) durch Poren in einem Material realisiert
sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
die Poren (15) den Bereich der photonischen Bandgap-Struktur (10) mit dem nied
rigeren Brechungsindex umfassen und die Geometrie der photonischen Bandgap-
Struktur (10) so beschaffen ist, dass die Bandlücke (7) gerade unterhalb der Fre
quenz einer spezifischen Lichtfrequenz, die von der Lichtquelle (8) emittiert wird,
liegt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bereiche mit dem erhöhten (59) und mit dem erniedrigen (58) Brechungsindex
die Form von Schichten aufweisen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (58,
59) entlang einer spezifischen Richtung in der Schichtebene eine periodische Va
riation ihrer Schichtdicke aufweisen.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bereiche mit einem erniedrigen oder einem erhöhten Brechungsindex (15) die
Form von Säulen aufweisen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen (15)
einen kreisförmigen (16), dreieckigen (17), viereckigen (18), quadratischen (18),
rechteckigen (19), rautenförmigen (20), polygonförmigen (21) oder unregelmäßig
geformten (22) oder hexagonalen (23) Querschnitt haben.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirn
seiten der Säulen (15) ein periodisches flächendeckendes Muster bilden.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass
die Stirnflächen der Säulen (15) in einem periodischen flächendeckenden Muster
mit einer hexagonalen (25), rhomboedrischen (26), rautenförmigen (27), quadrati
schen (28) oder rechteckigen (29) Einheitszelle vorgesehen sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass
die Säulen (15) entlang ihrer längsten Ausdehnung eine Periodizität der Quer
schnittsfläche senkrecht zu der längsten Ausdehnungsrichtung aufweisen.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Teil der photonischen Bandgap-Struktur (10) offene Freiräume (15)
umfasst, von denen zumindest ein Teil das zu analysierende Fluid enthält.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein
Teil der Freiräume (15) auf zumindest einer Seite der photonischen Bandgap-
Struktur (10) offen sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet,
dass die Freiräume (15) auf zumindest zwei Seiten der photonischen Bandgap-
Struktur (10) offen sind.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Bandgap-Struktur (10) zumindest auf einer Seite (35, 36) der
photonischen Bandgap-Struktur (10) ein gradiertes Brechungsindexprofil aufweist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das gradierte
Brechungsindexprofil durch eine Veränderung der Periodizitätslänge realisiert ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet,
dass das gradierte Brechungsindexprofil durch Variation der geometrischen Ab
messungen der Bereiche mit erhöhtem und emiedrigtem Brechungsindex realisiert
ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Bandgap-Struktur (10) einen Referenzbereich (10') umfasst, in
dem sich ein Referenzfluid (42) befindet, dessen Eigenschaften und Zusammen
setzung als Referenz für die Messung des zu analysierenden Fluids (13, 14) her
angezogen werden können.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzbe
reich (10') der photonischen Bandgap-Struktur (10) zumindest auf einer Seite von
der übrigen photonischen Bandgap-Struktur (10) getrennt ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet,
dass das Referenzfluid in dem Referenzbereich der photonischen Bandgap-
Struktur hermetisch durch einen hermetischen Verschluss (41) eingeschlossen ist.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Bandgap-Struktur (10) die Form eines Prismas aufweist.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Bandgap-Struktur (10) derart gestaltet ist, dass das Licht chroma
tisch aufgespalten wird.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Bandgap-Struktur (10) ein Brechungsindexprofil (30, 31) aufweist,
wodurch sich eine chromatische Aufspaltung des Lichts ergibt.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb der Vorrichtung beispielsweise innerhalb der photonischen Bandgap-
Struktur (10) ein Katalysator (38) vorgesehen ist, der zumindest auf eine Kompo
nente des zu analysierenden Fluids (13, 14) eine katalytische Wirkung hat.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator
(38) ganz oder zumindest teilweise auf den Innenseiten der Freiräume (15), die
das zu analysierende Fluid (13, 14) umfassen, vorgesehen ist.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Heizeinrichtung (63) zum selektiven Beheizen des Katalysators (38)
vorgesehen ist.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Bandgap-Struktur (10) im Wesentlichen ein Material umfasst, das
zumindest für eine der Wellenlängen des Lichts das von der Lichtquelle (8) emit
tiert wird, im Wesentlichen transparent ist.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Bandgap-Struktur (10) im Wesentlichen Silizium, welches vor
zugsweise monokristallin ist, umfasst.
40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Modulationseinrichtung (43) zur zeitlichen Modulation der Lichtintensität des
von der Lichtquelle (8) emittierten Lichts vorgesehen ist.
41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Strommodulationseinrichtung (44) zur zeitlichen Modulation des Stroms, mit
dem die Lichtquelle (8) versorgt wird, vorgesehen ist.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Fluiddruckmodulationseinrichtung (45) zur zeitlichen Modulation des Drucks
des zu analysierenden Fluids vorgesehen ist.
43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Temperaturmodulationseinrichtung (46) zur zeitlichen Modulation der Tempe
ratur der photonischen Bandgap-Struktur (10) vorgesehen ist.
44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass
als Detektor ein Lichtdetektor (11) für das Licht, das mit dem zu analysierenden
Fluid wechselgewirkt hat, vorgesehen ist.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass
als Detektor ein diskreter Detektor (11) vorgesehen ist.
46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass
als Detektor ein mehrteiliger Lichtdetektor (37) zur Detektion des Lichts an mehre
ren Stellen in der Vorrichtung vorgesehen ist.
47. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass
als Detektor ein thermoelektrisches Element (52) vorgesehen ist.
48. Vorrichtung nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelek
trische Element (52) in Form von Schichten vorgesehen ist.
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 47 oder 48, dadurch gekennzeichnet,
dass das thermoelektrische Element (52) Antimon (54) und/oder Bismuth (53) ent
hält.
50. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtintensität des von der Lichtquelle (8) ausgestrahlten Lichts mit einer Fre
quenz moduliert ist, die der akustischen Frequenz einer akustischen Resonator
mode der photonischen Bandgap-Struktur (10) im Wesentlichen entspricht.
51. Vorrichtung nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrofon (51)
zur Detektion der akustischen Schwingungen in der photonischen Bandgap-
Struktur (10) vorgesehen ist.
52. Vorrichtung nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon (51)
ein piezoelektrisches Element umfasst.
53. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 50 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Markierung (47) auf der photonischen Bandgap-Struktur (10) angebracht ist,
und diese Markierung (47) sich mit derjenigen Frequenz bewegt, mit der die pho
tonische Bandgap-Struktur (10), angeregt durch das Licht, mit einer Eigenfrequenz
oszilliert.
54. Vorrichtung nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass ein Markierungs
lichtdetektor (49) zur optischen Detektion der Bewegung (50) der Markierung (47)
vorgesehen ist.
55. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 40 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Filtereinrichtung (64) zur Filterung des Ausgabesignals von dem Detektor (11,
51, 49) vorgesehen ist.
56. Vorrichtung nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (64)
zum Durchlass im Wesentlichen der Signalkomponente mit der Frequenz, die der
Frequenz der Modulation der Lichtintensität, des Fluiddrucks des zu analysieren
den Fluids oder der Temperatur der photonischen Bandgap-Struktur (10) ent
spricht, vorgesehen ist.
57. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass
das Licht im Wesentlichen zur Propagation quer zur Porenachse in der photoni
schen Bandgap-Struktur (10) vorgesehen ist.
58. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass
das Licht im Wesentlichen zur Propagation parallel zur Porenachse in der photoni
schen Bandgap-Struktur (10) vorgesehen ist.
59. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 58, dadurch gekennzeichnet, dass
eine schlauchartige Einleiteinrichtung (12) zur Einleitung des zu analysierenden
Fluids in Richtung der photonischen Bandgap-Struktur (10) vorgesehen ist.
60. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 59, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Fluteinrichtung (12) zum Fluten der photonischen Bandgap-Struktur (10) mit
dem zu analysierenden Fluid vorgesehen ist.
61. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 60, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Bandgap-Struktur in eine mikromechanische Flusszelle integriert
ist.
62. Verfahren zur Analyse der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung
von Fluiden unter Verwendung einer Lichtquelle (8) und einer Detektionseinrich
tung (11, 11', 37, 51, 47, 48, 49) zur Detektion der Wechselwirkung des von der
Lichtquelle (8) ausgesandten Lichts mit dem Fluid, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Teil des Lichts der Lichtquelle (8) aufgrund der Brechungsin
dexperiodizität einer photonischen Bandgap-Struktur (10) mit einer im Vergleich
zum Vakuum verminderten Gruppengeschwindigkeit propagiert und zumindest ein
Teil des Lichts, das aufgrund der Brechungsindexperiodizität der photonischen
Bandgap-Struktur (10) mit einer erniedrigten Gruppengeschwindigkeit propagiert,
mit einem zu analysierenden Fluid (13) wechselwirkt.
63. Verfahren nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische
Bandgap-Struktur (10) mit dem zu analysierenden Fluid (13) beaufschlagt wird.
64. Verfahren nach Anspruch 62 oder 63, dadurch gekennzeichnet, dass Freiräume
(15) in der photonischen Bandgap-Struktur (10) von einer Seite (61) der photoni
schen Bandgap-Struktur (10) her mit dem zu analysierenden Fluid gefüllt werden.
65. Verfahren nach einem der Ansprüche 62 bis 64, dadurch gekennzeichnet, dass
das zu analysierende Fluid (13, 14) durch die photonische Bandgap-Struktur (10)
hindurchgeleitet wird.
66. Verfahren nach einem der Ansprüche 62 bis 65, dadurch gekennzeichnet, dass
die Intensität des Lichts das von der Lichtquelle (8) ausgesandt wird zeitlich modu
liert ist.
67. Verfahren nach einem der Ansprüche 62 bis 66, dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperatur der photonischen Bandgap-Struktur (10) moduliert wird.
68. Verfahren nach einem der Ansprüche 62 bis 67, dadurch gekennzeichnet, dass
der Strom, mit dem die Lichtquelle (8) versorgt wird, zeitlich moduliert wird.
69. Verfahren nach einem der Ansprüche 62 bis 68, dadurch gekennzeichnet, dass
der Druck des zu analysierenden Fluids (13) zeitlich moduliert wird.
70. Verfahren nach einem der Ansprüche 62 bis 69, dadurch gekennzeichnet, dass
eine chemische Reaktion an der mindestens eine Komponente des zu analysie
renden Fluids beteiligt ist innerhalb der photonischen Bandgap-Struktur (10) kata
lysiert wird.
71. Verfahren nach Anspruch 70, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangspro
dukt der chemischen Reaktion, die katalysiert wird, qualitativ und/oder quantitativ
analysiert wird.
72. Verfahren nach einem der Ansprüche 70 oder 71, dadurch gekennzeichnet, dass
das Endprodukt der chemischen Reaktion, die katalysiert wird, qualitativ und/oder
quantitativ analysiert wird.
73. Verfahren nach einem der Ansprüche 62 bis 72, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Katalysator (38) beheizt wird.
74. Verfahren nach einem der Ansprüche 62 bis 73, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Referenzanalyse eines bekannten Referenzfluids (42) durchgeführt wird.
75. Verfahren nach einem der Ansprüche 72 bis 74, dadurch gekennzeichnet, dass
das Ausgangssignal des Detektors (11, 11', 49, 51) gefiltert wird, und im Wesentli
chen nur diejenigen Signalkomponenten, die einer spezifischen Modulationsfre
quenz entsprechen, nicht weggefiltert werden.
76. Verfahren nach einem der Ansprüche 62 bis 75, dadurch gekennzeichnet, dass
das Licht, das auf die photonische Bandgap-Struktur (10) fällt, dispersiv aufge
spaltet wird.
77. Verfahren nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht spektral
aufgelöst detektiert wird.
78. Verfahren nach Anspruch 62 bis 77, dadurch gekennzeichnet, dass in der pho
tonischen Bandgap-Struktur (10) im Wesentlichen Licht propagiert, das einer Ab
sorptionslinie oder Absorptionsbande derjenigen Fluidkomponente (13) entspricht,
die bevorzugterweise qualitativ und/oder quantitativ analysiert wird.
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