DE102006057017B3

DE102006057017B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Sichtbarmachung einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung von Infrarotlicht

Info

Publication number: DE102006057017B3
Application number: DE200610057017
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr. Viöl; Alexander Dr.-Ing. Schmiedel
Original assignee: Fachhochschule Hildesheim Holzminden Gottingen
Current assignee: Fachhochschule Hildesheim Holzminden Gottingen
Priority date: 2006-12-02
Filing date: 2006-12-02
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-12-03

Abstract

Zur Sichtbarmachung einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung von Infrarotlicht, insbesondere über den Querschnitt eines Infrarotlaserstrahls (9), wobei über einen flachen Gasraum (5), der sich in den beiden Dimensionen der interessierenden Intensitätsverteilung erstreckt, eine elektrische Hochspannung angelegt wird und wobei eine Intensitätsverteilung von sichtbarem Licht (10), das durch Gasentladung in dem Gasraum (5) entsteht, beobachtet wird, wird über den Gasraum (5) eine elektrische Wechselspannung angelegt und die Gasentladung in dem Gasraum (5) zumindest durch ein Dielektrikum (3) an seiner Rückseite dielektrisch behindert. Dabei wird zumindest ein Anteil des Infrarotlichts durch den Gasraum (5) auf das Dielektrikum (3) gerichtet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Sichtbarmachung einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung von Infrarotlicht, insbesondere über den Querschnitt eines Infrarotlaserstrahls, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Sichtbarmachung einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung von Infrarotlicht, ebenfalls insbesondere über den Querschnitt eines Infrarotlaserstrahls, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 6.
STAND DER TECHNIK
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art sind aus B. G. Salamov: „Behavior of Light Emission in a Semiconductor Gas Discharge IR Image Converter" in J. Phys. D.: Appl. Phys. 37 (2004) 2496–2501 bekannt. Hier wird das Infrarotlicht auf eine GaAs-Photokathode gerichtet, die auf ihrer Vorderseite mit einer teilweise Infrarotlicht-durchlässigen Elektrode versehen ist und mit ihrer Rückseite an einen flachen Gasraum angrenzt. Auf der Rückseite des Gasraums ist eine Elektrode aus teildurchsichtigem SnO₂ angeordnet. Ein Gleichspannungsgenerator erzeugt eine Hochspannung zwischen den beiden Elektroden, wobei der Minuspol auf der Vorderseite der Photokathode und der Pluspol auf der Rückseite des Gasraums angeordnet ist. Aufgrund der Spannung soll eine homogene Gasentladung nach Townsend in dem Gasraum hervorgerufen werden, die durch Infrarotlicht, das auf die Photokathode fällt und deren elektrischen Widerstand aufgrund eines inneren Photoeffekts lokal verändert, moduliert wird. D. h. die Helligkeit von sichtbarem Licht, das durch die Gasentladung in dem Gasraum entsteht, weist eine der Intensitätsverteilung des auf die Photokathode einfallenden Infrarotlichts entsprechende Intensitätsverteilung auf. Um die Intensität des durch die Gasentladung in dem Gasraum erzeugten Lichts zu erhöhen, ist es vorgesehen, die Photokathode an ihrer dem Gasraum zugewandten Rückseite mit einem Feld aus metallischen, d. h. leitfähigen Punkten zu versehen. Hierdurch werden die Bedingungen von denjenigen einer homogenen Entladung zu denjenigen für eine filamentären Gasentladung verschoben. Darüber hinaus ist die beobachtete Intensitätsverteilung des sichtbaren Lichts, das durch die Gasentladung in dem Gasraum entsteht, ein mit der Punktdichte des Felds aus den metallischen Punkten gerastertes Abbild der Intensitätsverteilung des Infrarotlichts. Auch ohne die metallischen Punkte auf der Rückseite der Fotokathode ist der apparative Aufbau für die Durchführung des bekannten Verfahrens und die Umsetzung der bekannten Vorrichtung sowohl was die einzelnen Schichten vor und hinter dem Gasraum anbelangt, als auch was den Hochspannungsgenerator anbelangt nicht unerheblich.
Aus Yu. B. Golubovskii et al.: "Effect of the Barrier Material in a Townsend Barrier Discharge in Nitrogen at Atmospheric Pressure in J. Phys. D.: Appl. Phys. 39 (2006) 1574–1583 ist es bekannt, dass eine dielektrisch behinderte Gasentladung, die durch eine hochfrequente Wechselspannung zwischen zwei jeweils mit einem Dielektrikum abgeschirmten Elektroden hervorgerufen wird, besonders gut in hochreinem Stickstoffgas ausgebildet werden kann, wobei die Homogenität der Gasentladung von den dielektrischen Eigenschaften der Dielektrika abhängt.
Aus der US 2004/0100194 A1 ist ein Mikroentladungs-Photodetektor bekannt, der eine Photokathode, einen Isolator und eine Anode aufweist. In dem Isolator ist eine Aussparung begrenzter Größe vorgesehen, die mit einem Gas gefüllt ist. Eine Gleichspannung, die zwischen der Photokathode und der Anode, welche beide direkt an das Gas angrenzen, angelegt wird, erzeugt ein Plasma. Licht, das auf die Photokathode einfällt und Photonenenergien größer als die Austrittsarbeit aufweist, setzt Photoelektronen frei, die aus der Photokathode herausgeschlagen und durch das elektrische Feld beschleunigt werden. Das einfallende Licht wird durch Detektieren eines Anstiegs des Plasmastroms oder von Lichtemission aus dem Plasma detektiert. Die Ausnehmung kann flach sein oder sich von der Photokathode weg verjüngen. Die Photokathode kann sich dabei durch die Anode hindurch und auch in die Photokathode hinein, aber nicht durch diese hindurch erstrecken.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 6 aufzuzeigen, mit denen die Intensitätsverteilung von Infrarotlicht, insbesondere über den Querschnitt eines Infrarotlaserstrahls, mit besonders geringem apparativem Aufwand in eine Intensitätsverteilung von sichtbarem Licht umwandelbar ist.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 5 definiert. Die abhängigen Patentansprüche 7 bis 10 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung wird über den Gasraum eine elektrische Wechselspannung angelegt, wobei die hierdurch hervorgerufene Gasentladung in dem Gasraum zumindest durch ein Dielektrikum an seiner Rückseite dielektrisch behindert wird. Die Erfindung nutzt damit die Vorteile einer dielektrisch behinderten Gasentladung aus, die z. B. aufgrund nur vergleichsweise kleiner Entladungsströme mit vergleichsweise einfach aufgebauten Hochspannungsgeneratoren auskommt. Zugleich wird bei der vorliegenden Erfindung für die Modulation der Intensitätsverteilung des sichtbaren Lichts, das durch die Gasentladung in dem Gasraum entsteht, die Wechselwirkung des Infrarotlichts mit dem Gas in dem Gasraum bzw. einem dort bereits gezündeten Plasma und dem Dielektrikum auf der Rückseite des Gasraums ausgenutzt, indem zumindest ein Anteil des Infrarotlichts durch den Gasraum auf dieses Dielektrikum gerichtet wird. Da für diese Effekte keine Wechselwirkungen des Infrarotlichts mit einer Photokathode auf der Vorderseite des Gasraums ausgenutzt werden, ist bei der neuen Vorrichtung eine solche Fotokathode nicht vorhanden. Vielmehr ist hier nur eine Elektrode vorgesehen, die zumindest teilweise durchlässig für das Infrarotlicht ist. Die konkrete Wechselwirkung des Infrarotlichts mit dem Gas bzw. dem Plasma in dem Gasraum und dem Dielektrikum kann unterschiedlich sein. Sie kann dazu führen, dass es bei einer über dem Gasraum anliegenden Wechselspannung überhaupt erst zu einer Gasentladung kommt; sie kann aber auch eine bereits vorhandene Gasentladung in ihrer Intensität räumlich modulieren. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine homogene Gasentladung, die in dem Gasraum ausgebildet wird.
Auch dann, wenn das Infrarotlicht überhaupt erst zu einer Gasentladung führt, ist es bevorzugt, wenn die Voraussetzungen für eine homogene Gasentladung gegeben sind, indem beispielsweise die Elektrode an der Vorderseite des Gasraums eine hierauf abgestimmte Leitfähigkeit aufweist. Als hierfür geeignete Elektrode kommt beispielsweise eine Halbleiterelektrode in Frage. Bei der vorliegenden Erfindung wird aber kein innerer Photoeffekt der Halbleiterelektrode ausgenutzt, sondern nur deren begrenzte Leitfähigkeit und Durchlässigkeit für Infrarotlicht.
Der Gasraum wird bei der Erfindung vorzugsweise mit reinem, insbesondere hochreinem Stickstoffgas durchspült. Als besonders geeignet erweist sich beispielsweise Stickstoff 5.0 (99,999 %iges N₂). Von hochreinem Stickstoff ist bekannt, dass es eine gute Voraussetzung für die Ausbildung einer homogenen Gasentladung bietet. Die Durchspülung des Gasraums mit dem Stickstoffgas sorgt für die Entfernung von Reaktionsprodukten der Gasentladung und damit für gleich bleibende Bedingungen für die Ausbildung einer homogenen Gasentladung. Die Einstellung eines besonderen Drucks in dem Gasraum ist nicht erforderlich. Das Stickstoffgas kann in dem Gasraum vielmehr unter normalem Druck bereitgestellt werden.
Um die Intensitätsverteilung des sichtbaren Lichts, das durch die Gasentladung in dem Gasraum entsteht, erfassen zu können, ist vorzugsweise das Dielektrikum an der Rückseite des Gasraums zumindest teilweise durchsichtig und eine darauf angeordnete Elektrode ist ebenfalls zumindest teilweise durchsichtig. Das Dielektrikum kann beispielsweise Glas sein. Optisch transparente, elektrisch leitende Elektroden sind aus verschiedenen Materialien, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO = In₂O₃-SnO₂) oder SrO₂ bekannt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sichtbarmachung einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung über den Querschnitt eines Infrarotlaserstrahls.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 gezeigte Vorrichtung ist zum Einsatz auf dem Gebiet der Laserstrahlanalyse im Wellenlängenbereich von etwa 3 bis 20 μm vorgesehen. Sie ist in der Lage, Intensitätsverteilungen mit hohen Lichtinentsitäten in dem genannten Wellenlängenbereich in Intensitätsverteilungen im sichtbaren Wellenlängenbereich umzuwandeln. Es geht also darum, niederenergetische Photonen in höherenergetische Photonen umzuwandeln, die z. B. mit einer herkömmlichen CCD- oder CMOS-Kamera detektierbar sind. Die Vorrichtung wirkt somit als Bildwandler. Das Wirkprinzip des Bildwandlers beruht auf einer dielektrisch behinderten Halbleiter-Gasentladung bei Atmosphärendruck. Es ist aber auch möglich, die Gasentladung bei Unter- oder Überdruck zu betreiben, weil dies keinen Einfluss auf das Prinzip der Photonenumwandlung hat.
Im Einzelnen besteht der Aufbau der Vorrichtung gemäß 1 aus zwei planaren Elektroden 1 und 2, die durch ein Dielektrikum 3 vor der zweiten Elektrode und Abstandhalter 4 voneinander getrennt sind. Die Abstandhalter 4 definieren die Dicke eines flachen Gasraums 5. Diese Dicke, die viel kleiner als die beiden anderen Dimensionen des Gasraums 5 ist, beträgt typischerweise 130 bis 230 μm. Der Gasraum 5 wird mit Stickstoff 5.0 (99,999 %igem N₂) als Betriebsgas durchspült. Hierzu sind eine Gaszufuhr 6 und eine Gasabfuhr 7 vorgesehen. Hochreines Stickstoffgas ist als Betriebsgas besonders geeignet, um durch Anlagen einer hochfrequenten Wechselspannung mit einem Wechselhochspannungsgenerator 8 zwischen den Elektroden 1 und 2 in dem Gasraum 5 eine durch das Dielektrikum 3 behinderte homogene Gasentladung hervorzurufen. Mit der homogenen Gasentladung ist das Entstehen eines homogenen, nicht filamentären Plasmas gemeint. Die Ausbildung der homogenen Gasentladung in dem Gasraum 5 wird weiterhin dadurch unterstützt, dass die Elektrode 1 aus einem Halbleiter mit gewisser aber doch begrenzter elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet ist. Sie kann beispielsweise aus Silizium (Si), Germanium (Ge) oder Galliumarsenid (GaAs) bestehen. Wichtig ist, dass über die Fläche des Gasraums 5 eine gleichmäßige Feldverteilung des elektrischen Felds erzeugt wird, da diese für die homogene Gasentladung erforderlich ist. Die Elektrode 1 dient zugleich als Fenster für einen Infrarotlaserstrahl 9, so dass sein Infrarotlicht durch den Gasraum 5 auf das Dielektrikum 3 gerichtet wird. Die Elektrode 1 kann zu diesem Zweck zumindest über einen Teil ihrer dem Infrarotlaserstrahl 9 zugewandten Vorderseite oder auch ihrer an dem Gasraum 5 angrenzenden Rückseite mit einer Antireflexbeschichtung für Infrarotlicht beschichtet sein. Der durch die Elektrode 1 hindurch tretende Anteil des Infrarotlichts des Infrarotlaserstrahls 9 wechselwirkt mit dem Plasma in dem Gasraum 5 durch weitere Anregungen bzw. Abregungen der im Gasraum 5 befindlichen Teilchen, was sich bei einer Lichtintensitätsverteilung von sichtbarem Licht 10 bemerkbar macht, das von dem Plasma emittiert wird. Zum anderen wird das Infrarotlicht, das durch den Gasraum 5 bis zu dem Dielektrikum 3 gelangt (≥ 80 % des durch die Elektrode 1 hindurch tretenden Infrarotlichts), von der Oberfläche des Dielektrikums 3 absorbiert. Dies führt zu einer lokalen Erwärmung der dem Gasraum 5 zugewandten Vorderseite des Dielektrikums 3. Aufgrund der Erwärmung desorbieren elektrisch geladene Teilchen von der Oberfläche des Dielektrikums, die als Initialladungsträger für das Zünden des Plasmas in der folgenden Periode der Wechselspannung zur Verfügung stehen. Dadurch wird eine Zündung des Plasmas bei niedrigeren elektrischen Feldstärken ermöglicht bzw. wird der Ionisierungsgrad des Plasmas bei gleich bleibender elektrischer Feldstärke erhöht. Hieraus resultiert entweder, dass das Plasma überhaupt zu leuchten beginnt, wenn der Bildwandler ohne einfallendes Infrarotlicht unterhalb der zu einer sichtbaren Entladung führenden Spannung betrieben wird, oder eine Leuchtintensitätsveränderung des auch ohne Infrarotlicht gezündeten Plasmas. In jedem Fall kann die Intensitätsverteilung des Infrarotlichts bzw. des Infrarotlaserstrahls 9 anhand der Intensitätsverteilung des sichtbaren Lichts 10 erfasst werden, das durch das Dielektrikum 3 und die Elektrode 2 auf der Rückseite des Gasraums austritt, weil diese im sichtbaren Bereich zumindest begrenzt lichtdurchlässig sind. Das Dielektrikum 3 kann dazu aus Glas, durchsichtigem Kunststoff oder Kristall ausgebildet sein. Die Elektrode 2 besteht beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxyd. Die räumliche Auflösung der Intensitätsverteilung des Infrarotlichts des Infrarotlaserstrahls 9 in der Intensitätsverteilung des sichtbaren Lichts 10 ist durch Diffusionsprozesse in dem Plasma in dem Gasraum 5 sowie durch Wärmeleiteffekte in dem Dielektrikum 3 begrenzt. Sie ist aber ausreichend, um die Intensitätsverteilung, das Strahlprofil und die Strahllage des Infrarotlaserstrahls 9 zu ermitteln. Zur Einstellung des Leistungsmessbereichs der Vorrichtung gemäß 1 können das Material und die Dicke der Elektrode 1 variiert werden, indem beispielsweise ein Halbleiter anderer Transmission oder mit anderer Dicke eingesetzt wird. Der Betrieb der Vorrichtung gemäß 1 kann bei Raumtemperatur erfolgen. Eine besondere Kühlung ist nicht erforderlich. Für die Vorrichtung und deren Betrieb reichen ein auf einfacher Halbleiterelektronik aufbauendes Netzteil (typische Daten: Spannung 4 bis 6 kV, Frequenz 6 bis 8 kHz, Ausgangsleistung < 10 W), ein hochreines Prozessgas (z. B. Stickstoff 5.0) und eine planare, dielektrisch behinderte Entladung aus, die in einem Gasraum zwischen einem durch die Elektrode 1 gebildeten Einkoppelfenster für das zu wandelnde Infrarotlicht und einem durch das Dielektrikum 3 und die Elektrode 2 gebildeten Sichtfenster für die Beobachtung des durch die Entladung erzeugten sichtbaren Lichts erfolgt.

1: Elektrode (Fenster)
2: Elektrode
3: Dielektrikum
4: Abstandhalter
5: Gasraum
6: Gaszuführung
7: Gasabführung
8: Wechselhochspannungsgenerator
9: Infrarotlaserstrahl
10: sichtbares Licht

Claims

Verfahren zur Sichtbarmachung einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung von Infrarotlicht, insbesondere über den Querschnitt eines Infrarotlaserstrahls, wobei über einen flachen Gasraum (5), der sich in den beiden Dimensionen der interessierenden Intensitätsverteilung erstreckt, eine elektrische Hochspannung angelegt wird und wobei eine Intensitätsverteilung von sichtbarem Licht, das durch Gasentladung in dem Gasraum (5) entsteht, beobachtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass über den Gasraum (5) eine elektrische Wechselspannung angelegt wird, dass die Gasentladung in dem Gasraum (5) zumindest durch ein Dielektrikum (3) an seiner Rückseite dielektrisch behindert wird und dass zumindest ein Anteil des Infrarotlichts (9) durch den Gasraum (5) auf das Dielektrikum (3) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gasraum (5) eine homogene Gasentladung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Infrarotlicht (9) durch eine aus einem Halbleiter ausgebildete Elektrode (1) an der Vorderseite des Gasraums (5) durch den Gasraum (5) auf das Dielektrikum (3) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum (5) mit reinem Stickstoffgas durchspült wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das sichtbare Licht (10) von der Gasentladung durch das Dielektrikum (3) an der Rückseite des Gasraums (5) und eine durchsichtige Elektrode (2) hindurch beobachtet wird.
Vorrichtung zur Sichtbarmachung einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung von Infrarotlicht, insbesondere über den Querschnitt eines Infrarotlaserstrahls, mit einem sich in den beiden Dimensionen der interessierenden Intensitätsverteilung erstreckenden flachen Gasraum (5), mit einem Hochspannungsgenerator zur Erzeugung einer elektrischen Hochspannung über den Gasraum (5) und mit einem Fenster zum Beobachten einer Intensitätsverteilung von sichtbarem Licht (10), das durch Gasentladung in dem Gasraum (5) entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsgenerator ein Wechselhochspannungsgenerator (8) ist, dass der Gasraum (5) zumindest an seiner Rückseite durch ein Dielektrikum (3) begrenzt ist, das die Gasentladung in dem Gasraum (5) dielektrisch behindert, und dass eine Elektrode (1) an der Vorderseite des Gasraums (5) zumindest einen Anteil des Infrarotlichts (9) durch den Gasraum (5) auf das Dielektrikum (3) durchlässt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1) an der Vorderseite des Gasraums (5) eine derartige Leitfähigkeit aufweist, dass in dem Gasraum (5) eine homogene Gasentladung ausbildbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1) an der Vorderseite des Gasraums (5) aus einem Halbleiter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaszufuhr (6) und eine Gasabfuhr (7) zum Durchspülen des Gasraums (5) mit reinem Stickstoffgas vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster für das sichtbare Licht (10) von der Gasentladung durch ein durchsichtiges Dielektrikum (3) an der Rückseite des Gasraums (5) und eine darauf angeordnete durchsichtige Elektrode (2) ausgebildet ist.