DE10139906A1 - Anordnung zur optischen Bestimmung der Absorption - Google Patents
Anordnung zur optischen Bestimmung der AbsorptionInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Bestimmung der Absorption, die ein Lichtbündel beim Passieren eines transparenten Mediums infolge der Umwandlung eines Teiles seiner Energie in Wärme erfährt, wobei der Querschnitt des ersten Lichtbündels kleiner ist als der Querschnitt des Mediums und ein Lasermessstrahl im Medium quer zum Lichtbündel gerichtet ist, der das Medium außerhalb des Lichtbündelquerschnitts passiert und dessen Auslenkung infolge der Absorption nach dem Passieren des Mediums gemessen wird. Sie hat sich die Vermeidung oder zumindest Reduzierung der aufgezeigten Mängel zur Aufgabe gemacht. Dies schließt die Schaffung einer kompendiösen, praktikablen Messanordnung ebenso ein wie die sichere Erreichung einer hohen Messgenauigkeit. Dies wird durch eine Reflektoranordnung erreicht, die den Lasermessstrahl so teilt, dass die Laserteilmessstrahlen an gegenüberliegenden Seiten des Lichtbündels durch das Medium geführt werden und/oder den Lasermessstrahl mindestens zweimal durch das Medium leitet.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Bestimmung der
Absorption gemäß der Gattung der Patentansprüche. Sie ist insbesondere
zur Messung kleiner Absorptionskoeffizienten von optisch transparenten
Medien vorgesehen.
Zur Messung kleiner Absorptionskoeffizienten in optisch transparenten,
bspw. einer Laserpulsbestrahlung ausgesetzten Medien, sind Methoden,
die die Energie vor und hinter der Probe messen, wegen der zur
Absorption kleinen Signaländerung wenig geeignet. Bei der
kalorimetrischen Messung der Absorption wird an geeigneter Stelle der
Probe ein Temperatursensor angebracht und die Temperaturdifferenz nach
einer festgelegten Bestrahlungsdauer gemessen. Um daraus die
Absorption berechnen zu können, müssen noch Angaben zur Masse,
spezifischen Wärmekapazität und Wärmeleitung von Probe und
Probenhalterung bekannt sein. Da außerdem die zu erwartende
Absorption bei laserfesten Materialien sehr gering ist und die
entsprechenden Temperaturanstiege sich im Bereich weniger Milli-Kelvin
bewegen, müssen besondere Vorkehrungen zur Abschirmung von
Umgebungseinflüssen getroffen werden. Auch ist bereits ein Verfahren
zur Messung des Absorptionskoeffizienten von optisch transparenten
Materialien bekannt, die von einem Laser-UV-Strahlengang, bspw. eines
Excimerlasers, durchsetzt werden, wobei der Querschnitt des UV-
Strahlenganges kleiner als der Querschnitt des transparenten Mediums,
ihm aber ähnlich ist. Dadurch bildet sich im Medium ein auf den
Querschnitt des UV-Strahlenganges bezogenes regelmäßiges
Temperaturprofil mit in Abhängigkeit vom Material abhängigem positiven
oder negativen Temperaturgradienten aus, das auf einen quer zum UV-
Strahlengang gerichteten He-Ne-Lasermessstrahl als Positiv- oder
Negativlinse ablenkend wirkt. Um diese Ablenkungen erfassen und sicher
bestimmen zu können bedarf es einer ebenso aufwändigen wie
voluminösen Apparatur, die praktisch nicht handhabbar ist.
Die Erfindung hat sich die Vermeidung oder zumindest Reduzierung der
aufgezeigten Mängel zur Aufgabe gestellt. Dies schließt die Schaffung
einer kompendiösen, praktikablen Messanordnung ebenso ein, wie die
sichere Erreichung einer hohen Messgenauigkeit.
Gemäß der Erfindung wird die vorstehend genannte Aufgabe durch die
Merkmale im Kennzeichen des ersten Patentanspruchs gelöst. Dabei kann
das Lichtbündel von einem Laser, bspw. einem Excimerlaser, ausgehen
und der Lasermessstrahl, dessen Querschnitt und Energie geringer ist als
der/die des Lichtbündels, ein He-Ne-Laserstrahl sein. Die Brechzahl des
Mediums/der Probe kann mit der Temperatur zu- oder abnehmen; danach
richtet sich die Richtung der Ablenkung des zweiten Lichtbündels
(Messstrahls) bezüglich seiner Nulllage. Die Querschnitte von Probe und
erstem Lichtbündel (Laserstrahl) in Durchgangsrichtung des Lichtes
sollen ähnlich, vorzugsweise quadratisch oder rechteckig gestaltet sein.
Vorteilhaft ist das zweite Lichtbündel rechtwinklig zum ersten
Lichtbündel gerichtet und passiert das Medium in unmittelbarer
Nachbarschaft des ersten Lichtbündels. Dadurch wirkt sich das
Brechzahlfeld der durch die UV-Laserlichtabsorption induzierten
Wärmequelle im Sinne der Erfindung günstig aus. Die
Reflektoranordnung dient der Erhöhung der Empfindlichkeit bzw.
Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung ebenso wie der
Verkleinerung des Raumbedarfs. Diese Reflektoranordnung dient in
gleicher Weise der Teilung und Führung des Lasermessstrahls und/oder
seiner Faltung, so dass dieser das Medium mindestens zweimal,
vorteilhaft jedoch öfter durchläuft. Für die Lösung der der Erfindung
zugrunde liegenden Aufgabe ist es besonders vorteilhaft, die Teilung des
Messstrahls mit der Faltung der Teilmessstrahlen zu kombinieren. Dabei
können die Laserteilmessstrahlen symmetrisch zum Querschnitt des die
Probe/das Medium erwärmenden Lichtbündels, möglichst in dessen Nähe
verlaufen, weil dort das Temperaturgefälle und damit die ablenkende
Wirkung am größten ist. Die gedrängte Bauweise der erfindungsgemäßen
Anordnung hat zur Folge, dass die Einflüsse der Umgebung ebenso wie
von Luftoszillationen gering gehalten werden. Ebenso werden durch die
im wesentlichen gleichlangen Teilmessstrahlen Fehlereinflüsse im
Zusammenhang mit dem Strahlquerschnitt vermieden. Weitere Merkmale
der Erfindung sind den nachfolgenden Darstellungen entnehmbar.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Skizze zur Erläuterung des an sich bekannten Messprinzips,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung in Draufsicht und
Fig. 3 die erfindungsgemäße Anordnung der Fig. 2 in Seitenansicht.
In Fig. 1 ist in ein Koordinatensystem x/y der rechteckige Querschnitt
einer Probe P aus Quarzglas mit der Brechzahl n so eingezeichnet, dass
zwei gegenüberliegende Seiten S1, S2 parallel und symmetrisch zur x-
Achse und zwei zu den erstgenannten Seiten rechtwinklig angeordnete
gegenüberliegende Seiten S3, S4 parallel zur y-Achse gerichtet sind,
wobei die Seite S3 mit der y-Achse zusammenfällt und der Probenkörper
P rechtwinklig zur Ebene x/y und zur Zeichenebene gerichtet ist. Die
Probe P wird von einem parallelstrahligen UV-Laserlichtbündel L1, bspw.
eines Excimerlasers, durchsetzt, dessen Querschnitt kleiner als der der
Probe, diesem ähnlich ist und bezüglich des x/y-Koordinatensystems
dieselbe Orientierung hat wie der Querschnitt der Probe P. Ein Teil der
gepulsten Laserstrahlung L1 wird von der Probe absorbiert und heizt
diese lokal auf. Infolge der Wärmeleitung bildet sich in der Probe P ein
Temperaturprofil aus, das durch Isothermen T gekennzeichnet ist und ein
Temperaturgefälle vom Laserlichtbündel L1 zu den Seiten S1 aufweist.
Infolge der Temperaturabhängigkeit der Brechzahl n bildet sich ein
analoges Brechzahlprofil F aus, das vom Rande (S1) zur Mitte (L1) der
Probe P zunimmt.
Ein Lasermessstrahl L2, der bspw. von einem He-Ne-Laser ausgesandt
wird und dessen Querschnitt gegenüber dem ersten Laserlichtbündel L1
klein ist, durchsetzt die Probe P außerhalb des Laserlichtbündels L1, aber
in dessen Nähe und rechtwinklig zu diesem. Infolge des durch die
Erwärmung zustande kommenden Brechzahlfeldes wirkt die Probe P wie
ein sammelndes optisches Glied, wodurch der Lasermessstrahl L2 aus
seiner Normal- oder Nulllage parallel zur Achse x um einen Winkel Δα
zur Achse x hin abgelenkt wird. Bei Einstrahlung des Laserstrahls L2
außerhalb der Achse x ist die Ablenkung Δα dieses Strahls ein Maß für
die in der Probe P absorbierte Leistung, wenn der Absorptionskoeffizient
sich in Zeiten ändert, die groß gegenüber der thermischen Relaxationszeit
der Probe P sind.
Im vorstehenden Fall besteht die Probe P bspw. aus Quarzglas, wodurch
dn/dT positiv ist und sich eine Sammellinse bildet. Bei Verwendung von
bspw. CaF2 ergibt sich für dn/dT ein negativer Wert, und durch das in der
Probe P erzeugte Brechzahlfeld wirkt diese als Negativlinse.
In den Fig. 2 und 3 ist wieder die Probe, das Medium P mit dem
Brechungsindex n und den Abmessungen x.y.z = 20.20.10 mm3
dargestellt, die von von einem energiereichen parallelstrahligen
Lichtbündel L 1 mittig durchsetzt wird, das von einer nicht dargestellten
Lichtquelle kommend durch eine Blende B mit einer Öffnung von 5.5 mm2
in die Probe P gelangt und diese, wie zu Fig. 1 beschrieben,
erwärmt. z ist diejenige Koordinate parallel zum Lichtstrahlenbündel L1,
die zu der von den Koordinaten x, y aufgespannten Ebene senkrecht steht
(Fig. 1). Von einer Laserdiode E, die bei einer Wellenlänge von 650 nm
4 mW optische Leistung abgibt, geht ein Lasermessstrahl L2 aus, der durch
einen Strahlenteiler St in zwei Teilmessstrahlen L21 und L22
amplitudengeteilt wird. Anstatt der Laserdiode kann auch ein He-Ne-
Laser benutzt werden. Der Laserteilmessstrahl L21 wird vom
Strahlenteiler St, im vorliegenden Fall einem teildurchlässigen Reflektor,
und der Laserteilmessstrahl L22 von einem undurchlässigen Reflektor,
einem Oberflächenspiegel R1 zum Medium P so reflektiert, dass jeder
Laserteilmessstrahl L21 bzw. L22 die Probe P parallel zu einer Seite S4
bzw. S3 des Querschnittes des Lichtstrahlenbündels L1 und im
wesentlichen rechtwinklig zu diesem durchsetzt. Da die beiden
Teilmessstrahlen L21 und L22 in einem Abstand parallel zueinander
verlaufen, der hauptsächlich durch den Querschnitt des
Lichtstrahlenbündels L1 bestimmt ist, kann davon ausgegangen werden,
dass ihre Durchmesser ebenso wie ihre Beeinflussungen durch die
Umgebung gleich sind. Außerdem ergibt ihre Führung zu beiden Seiten
des Querschnitts des Lichtstrahlenbündels L1 zu einer Verdoppelung der
Messgenauigkeit.
Die Teilmessstrahlen L21 und L22 werden jeweils nach Durchlaufen des
Mediums P nacheinander an Reflektoren R2, R3 und wieder R2, R3
reflektiert, bevor sie nach einer weiteren Reflexion am Reflektor R2 durch
die Probe F an den Reflektoren St und R1 vorbei auf
positionsempfindliche Detektoren PSD1 und PSD2 zur Erfassung ihrer
Ablenkung infolge der Erwärmung der Probe P durch das
Lichtstrahlenbündel L1. Die Mehrfachreflexion der Laserteilmessstrahlen
L21 und L22 an den Reflektoren R2, R3 stellt eine Faltung dieser
Strahlen dar und bewirkt eine erhebliche Verringerung der Baulänge der
erfindungsgemäßen Anordnung bei einer Messgenauigkeit, die der eines
ungefalteten Strahlenganges erheblich größerer Länge entspricht. Bspw.
würde bei einem viermaligen Durchgang (dreifache Faltung) der
Teilmessstrahlen und einem Reflektorabstand von 100 mm dieselbe
Messgenauigkeit erreicht werden, wie bei einmal abgelenkten
Teilmessstrahlen mit einem Abstand von 1 m zwischen ablenkender Stelle
und positionsempfindlichem Detektor.
Die in den positionsempfindlichen Detektoren PSD1 und PSD2 erzeugten
Signale werden über Verstärker V1, V2 einer Auswerte- und
Anzeigeeinheit A zugeleitet. Die Auswerteelektronik bewirkt für jeden
Detektor, dass die Ausgangsspannung nur von der Lage des Messstrahl-
Schwerpunktes und nicht von der Lichtleistung abhängt. Da die
Ausgangsspannungen bei Proben mit sehr geringer Absorption oder bei
Bestrahlung mit geringer Energiedichte im mV-Bereich liegen, muss der
Verstärker V1 bzw. V2 jedem Detektor PSD1 bzw. PSD2 nachgeordnet
sein. Die Ausgangsspannungen der Verstärker V1 und V2 werden einem
in die Auswerteeinheit integrierten Differenzverstärker zugeleitet, der die
Differenzspannung nochmals verstärkt. Die Differenzspannung ist
proportional zu den Abstandsänderungen der beiden Teilmessstrahlen L21
und L22 auf den Detektoren PSD1 und PSD2. Eine gemeinsame
Verschiebung beider Messstrahlen L21 und L22 gegenüber den
Detektoren PSD1 und PSD2 ruft kein Differenzsignal hervor. Die aus den
Messwerten der positionsempfindlichen Detektoren PSD1 und PSD2
gebildete Differenz ist ein Maß für die Absorption im Mediums P. Am
Ausgang der Messelektronik liegt also eine Differenzspannung an, die der
Leistung proportional ist, welche von der Probe P während der
Bestrahlung mit UV-Licht absorbiert wird. Die Bestimmung des
Proportionalitätsfaktors bedarf einer Eichung der Anordnung. Dazu wird
bspw. eine Probe des zu messenden Materials mittig durchbohrt und ein
elektrischer Widerstand in die Bohrung eingekittet, von dem eine genau
messbare elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird.
Vorzugsweise sind die Abmessungen der Eichprobe dieselben wie die der
zu untersuchenden Probe. Die Eichprobe wird in die erfindungsgemäße
Anordnung eingesetzt, und die Ausgangsspannung bei verschiedenen
eingekoppelten Leistungen gemessen. Mit der so geeichten Anordnung
wird aus der Ausgangsspannung die Absorption ermittelt.
Die Differenzbildung verbessert das Driftverhalten der Anordnung
erheblich. Auf das Driftverhalten und Rauschen hat auch die
Messstrahlquelle einen spürbaren Einfluss. Sie soll einen möglichst
richtungs- und frequenzstabilen Messstrahl L2 aussenden. Mit einer
Laserdiode, die im Single-Mode arbeitet und temperaturstabilisiert ist,
lassen sich diese Forderungen erfüllen und darüber hinaus die
Abmessungen der Anordnung minimieren. Mit der vorbeschriebenen
Anordnung ist eine von der Probe P absorbierte Leistung von 0,3 mW in
Quarzglas nachweisbar. Es versteht sich von selbst, dass die Probe und
alle Bauelemente der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Anordnung zur Gewährleistung einer ausreichenden mechanischen und
thermischen Stabilität auf einem geeigneten Träger montiert sein müssen.
Damit ist es möglich, eine Anordnung zu schaffen, die ohne die
Auswerteelektronik einen Raum von etwa 80.200.50 mm3 einnimmt.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der
Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
x, y, z Koordinaten
P Medium, Probe
S1, S2, S3, S4 Seiten
L1 Laserlichtbündel
L2 Lasermessstrahl
L21, L22 Teilmessstrahlen
T Isothermen
F Brechzahlprofil
Δα Ablenkwinkel
E Laserdiode
St Strahlenteiler
R1, R2, R3 Reflektoren
PSD1, PSD2 Detektoren
V1, V2 Verstärker
A Auswerte- und Anzeigeeinheit
P Medium, Probe
S1, S2, S3, S4 Seiten
L1 Laserlichtbündel
L2 Lasermessstrahl
L21, L22 Teilmessstrahlen
T Isothermen
F Brechzahlprofil
Δα Ablenkwinkel
E Laserdiode
St Strahlenteiler
R1, R2, R3 Reflektoren
PSD1, PSD2 Detektoren
V1, V2 Verstärker
A Auswerte- und Anzeigeeinheit
Claims (4)
1. Anordnung zur optischen Bestimmung der Absorption, die ein
Lichtbündel beim Passieren eines transparenten Mediums infolge der
Umwandlung eines Teiles seiner Energie in Wärme erfährt, wobei der
Querschnitt des ersten Lichtbündels kleiner ist als der Querschnitt des
Mediums und ein Lasermessstrahl im Medium quer zum Lichtbündel
gerichtet ist, der das Medium außerhalb des Lichtbündelquerschnitts
passiert und dessen Auslenkung infolge der Absorption nach dem
Passieren des Mediums gemessen wird, gekennzeichnet durch eine
Reflektoranordnung, die den Lasermessstrahl so teilt, dass die
Laserteilmessstrahlen an gegenüberliegenden Seiten des Lichtbündels
durch das Medium geführt werden und/oder den Lasermessstrahl
mindestens zweimal durch das Medium leitet.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im
Lasermessstrahl vor dem Medium mindestens ein Strahlenteiler
angeordnet ist, durch den die beiden Laserteilmessstrahlen erzeugt
werden.
3. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem
Medium ein Reflektor nachgeordnet ist, von dem der Lasermessstrahl
vollständig und durch das Medium reflektiert wird.
4. Anordnung gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Lasermessstrahl oder in den
Laserteilmessstrahlen außerhalb und zu beiden Seiten des Mediums
Reflektoren angeordnet sind, die ein mehrmaliges Passieren des
Lasermessstrahls oder der Laserteilmessstrahlen durch das Medium
ermöglichen.
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