DE102011083750A1

DE102011083750A1 - Verfahren und Anordnung zum Einstellen eines Laserspektrometers

Info

Publication number: DE102011083750A1
Application number: DE201110083750
Authority: DE
Inventors: Christoph Wolfgang Marquardt; Kai-Uwe Pleban
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-04
Also published as: WO2013045278A1

Abstract

Bei einem Laserspektrometer mit wellenlängendurchstimmbarer Laserdiode (3) werden in den Lichtweg zwischen der Laserdiode (3) und einem Detektor (5) zur Einstellung der Wellenlänge eine ein Referenzgas enthaltende Gaszelle (15) und zur Einstellung des Abstimmbereichs ein Etalon (16) eingebracht. Um die Einstellung des Laserspektrometers zu vereinfachen, werden die Gaszelle (15) und der Etalon (16) hintereinander in dem Lichtweg angeordnet. Der Injektionsstrom (i) der Laserdiode (3) wird periodisch moduliert, wobei die Modulationsamplitude bei der Einstellung der Wellenlänge an die Breite der Absorptionslinie des Referenzgases und bei der Einstellung des Abstimmbereichs an den freien Spektralbereich des Etalons (16) angepasst wird und von der detektierten Lichtintensität (I) die zweite Harmonische (I2f) ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Einstellen oder Justieren der Wellenlänge und des Abstimmbereichs eines Laserspektrometers.
Laserspektrometer werden insbesondere für die optische Gasanalyse in der Prozessmesstechnik eingesetzt. Dabei erzeugt eine Laserdiode Licht, i. d. R. im Infrarotbereich, das durch das zu messende Prozessgas geführt und anschließend detektiert wird. Die Intensität und Wellenlänge des erzeugten Lichts sind nichtlineare Funktionen des Injektionsstromes und der Betriebstemperatur der Laserdiode. Die Wellenlänge des Lichts wird auf eine spezifische Absorptionslinie der jeweils zu messenden Gaskomponente des Prozessgases abgestimmt, wobei die Laserdiode die Absorptionslinie periodisch abtastet. Zu diesem Zweck wird die Laserdiode mit einer vorgegebenen, z. B. rampen- oder dreieckförmigen Strom-Zeit-Funktion angesteuert. Aus der detektierten Absorption im Bereich der Absorptionslinie kann die Konzentration der interessierenden Gaskomponente bestimmt werden.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist es bekannt, die Strom-Zeit-Funktion mit einem periodischen, z. B. sinusförmigen Signal der Frequenz f zu modulieren und das Detektorsignal bei der doppelten Frequenz 2f phasensensitiv auszuwerten (second harmonic detection).
5 zeigt beispielhaft die wellenlängenabhängige Absorption (Minderung der Lichtintensität I) im Bereich einer ausgewählten Absorptionslinie 1 einer nachzuweisenden Gaskomponente. Aufgrund der Nichtlinearität der Absorptionslinie 1 resultiert aus der Modulation des Stroms i der Laserdiode mit einem Modulationssignal 2 der Frequenz f eine entsprechende Variation der Lichtintensität I mit mehr oder weniger starken harmonischen Verzerrungen. An der Extremstelle (Absorptionsmaximum) der Absorptionslinie 1 dominiert die zweite Harmonische mit der Frequenz 2f. In Wellenlängenbereichen außerhalb der Mitte der Absorptionslinie 1 nimmt dagegen der Anteil der zweiten Harmonischen in der Intensität I des Lichts stark ab. Die an der Stelle des Absorptionsmaximums (Mittenwellenlänge λ₀) der Absorptionslinie 1 stattfindende Absorption kann daher durch Auswertung des 2f-Signalanteils in der detektierten Lichtintensität I ermittelt werden.
Laserspektrometer müssen erstmalig bei ihrer Herstellung in Bezug auf die Wellenlänge und den Abstimmbereich eingestellt bzw. justiert werden. Besonders im Hinblick auf eine Serienfertigung ist eine exakte sowie effiziente Einstellung beider Parameter wichtig, um eine Vergleichbarkeit der Geräte sicherzustellen.
Die Wellenlänge kann mit einem Wellenlängenmessgerät (Wavemeter) gemessen werden. Um die gewünschte Wellenlänge zu erreichen, werden der Injektionsstrom und die Betriebstemperatur der Laserdiode eingestellt. Die Feineinstellung der Wellenlänge erfolgt unter Zuhilfenahme einer Absorptionslinie, weil deren Wellenlängenposition mit einer höheren Genauigkeit bestimmt ist, als die Genauigkeit des Wavemeters. Zu diesem Zweck wird eine mit einem Referenzgas gefüllte Küvette (Gaszelle) in den Lichtweg des Laserspektrometers gebracht.
Der Abstimmbereich ergibt sich aus der Höhe der Rampe mit der der Injektionsstrom der Laserdiode verändert wird. Er kann unter Zuhilfenahme eines Etalons festgelegt werden, der in den Lichtweg des Laserspektrometers gebracht wird und bei dem das Licht zwischen zwei planparallelen teilverspiegelten Ebenen hin und her reflektiert wird. Das Transmissionsspektrum des Etalons zeigt schmale Transmissionspeaks für Wellenlängen, welche die Resonanzbedingung erfüllen, während es in den dazwischen liegenden Spektralbereichen aufgrund destruktiver Interferenz zu einer nahezu vollständigen Lichtauslöschung kommt. Der freie Spektralbereich des Etalons ist als Wellenlängenabstand zwischen zwei Transmissionspeaks definiert. Die Intensität des aus dem Etalon austretenden Lichts variiert periodisch mit der Änderung der Laserwellenlänge, so dass die Anzahl der Perioden ein Maß für die Wellenlängenänderung ist.
Die Gaszelle und der Etalon können nicht gleichzeitig in den Lichtweg gebracht werden, weil sich beide Messungen gegenseitig stören. Beide Parameter können daher nur sequenziell bestimmt werden, und die Gaszelle und der Etalon müssen zeitaufwändig getauscht werden. Dies erweist sich insbesondere dann als nachteilig, wenn ein iteratives Vorgehen nötig ist, wenn also z. B. nach der Einstellung des Abstimmbereichs mit dem Laserstrom eine Korrektur der Lasertemperatur erforderlich ist, um die Wellenlänge erneut zu justieren. Diese Iterationen erfordern ein häufiges Wechseln der Ausrüstung und sind mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Justierung von Laserspektrometern zu vereinfachen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren bzw. die in Anspruch 2 angegebene Anordnung gelöst.
Das Transmissionsspektrum des Etalons wird ebenso wie die Absorptionslinie des Referenzgases auf dieselbe Weise, d. h. nach dem Prinzip der "second harmonic detection", detektiert, wie dies für den normalen Messbetrieb des Laserspektrometers bekannt ist. Dabei wird aber die Modulationsamplitude, und damit der Frequenz- oder Wellenlängenhub des von der Laserdiode erzeugten Lichts, jeweils an die spektrale Breite des Etalons bzw. der Absorptionslinie des Referenzgases angepasst. Da aufgrund der Frequenz- bzw. Wellenlängenmodulation die Höhe des resultierenden Signals (Detektorsignals) von dem Verhältnis der Modulation zur spektralen Breite abhängig ist, ist es möglich, entsprechend der Erfindung die Gaszelle mit dem Referenzgas und den Etalon gemeinsam hintereinander in dem Lichtweg des Spektrometers anzuordnen und den jeweiligen Einfluss der Absorptionslinie des Referenzgases und den des Etalons auf das Detektorsignal über die Modulationsamplitude so zu steuern, dass das von der Gaszelle erzeugte Detektorsignal von dem vom Etalon erzeugten Detektorsignal unterscheidbar ist.
Zur Einstellung der Wellenlänge der Laserdiode wird also die Modulationsamplitude an die Breite der Absorptionslinie des Referenzgases angepasst. Damit ist das Detektorsignal für die Detektion dieser Absorptionslinie optimiert. Der Signalanteil des Etalons ist hingegen stark unterdrückt und man erhält ein nahezu ungestörtes Absorptionsspektrum des Referenzgases.
Zur Einstellung des Abstimmbereichs (Wellenlängenänderung bei vorgegebener Strom-Zeit-Funktion) der Laserdiode wird die Modulationsamplitude an den freien Spektralbereich des Etalons angepasst. Damit ist das Detektorsignal für die Detektion des Transmissionsspektrums des Etalons optimiert. Da die Absorptionslinie des Referenzgases viel breiter ist, wird nun deren Signalanteil unterdrückt und man erhält ein nahezu ungestörtes Transmissionsspektrums des Etalons.
Aufgrund der Erfindung ist es beim Einstellen von Laserspektrometern nicht mehr erforderlich, die Gaszelle und den Etalon manuell oder mit Hilfe einer Mechanik auszutauschen. Die Änderung der Modulationsamplitude kann automatisch erfolgen, wodurch der Wechsel zwischen den beiden Justierschritten sehr viel schneller durchgeführt werden kann. Dieser Vorteil zeigt sich insbesondere dann, wenn z. B. nach Einstellung des Abstimmbereichs mittels des Injektionsstroms eine Korrektur der Lasertemperatur erforderlich ist, um die Wellenlänge erneut zu justieren.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur Einstellung eines Laserspektrometers,
2 ein Beispiel für die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren detektierte Absorptionslinie des Referenzgases,
3 ein Beispiel für das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren detektierte Transmissionsspektrum des Etalons,
4 ein Beispiel für die Signalstärke des Detektionssignals in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Modulation zur spektralen Breite des Etalons und der Absorptionslinie des Referenzgases und
5 ein Beispiel für die wellenlängenabhängige Abtastung einer Absorptionslinie.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zu Einstellung eines Laserspektrometers. Das Spektrometer enthält eine Laserdiode 3, deren Licht 4 nach Durchlaufen einer Messstrecke auf einen Detektor 5 fällt. Die Laserdiode 3 wird von einer steuerbaren Stromquelle 6 mit einem Injektionsstrom i angesteuert wird, wobei die Intensität I_Laser und Wellenlänge λ des erzeugten Lichts 4 von dem Strom i und der Betriebstemperatur der Laserdiode 3 abhängen. Die Stromquelle 6 wird von einem ersten Signalgenerator 7 periodisch mit einer vorgegebenen, vorzugsweise rampenförmigen Strom-Zeit-Funktion 8 angesteuert, um mit dem entsprechend modulierten Licht 4 eine ausgewählte Absorptionslinie 1 (5) einer interessierenden Gaskomponente abtasten zu können. Ein zweiter Signalgenerator 9 erzeugt ein sinusförmiges Signal (Modulationssignal) 2 der Frequenz f, mit dem in einem Summierglied 10 die rampenförmige Strom-Zeit-Funktion 8 moduliert wird. Die Amplitude des Modulationssignals 2 kann mittels einer Steuereinrichtung 11 eingestellt werden.
Der Detektor 5 erzeugt in Abhängigkeit von der detektierten Lichtintensität I ein Detektorsignal 12, dessen zweite Harmonische (2f-Signalanteil) in einem frequenzselektiven Verstärker 13 verstärkt und in einer nachfolgenden Auswerteeinrichtung 14 phasensensitiv (lock-in) weiterverarbeitet und ausgewertet wird.
Im normalen Messbetrieb befindet sich ein Messgas im Lichtweg zwischen Laserdiode 3 und Detektor 5. Beim Durchstrahlen des Messgases wird ein geringer Teil des Lichts 4 von den infrarotaktiven Gaskomponenten des Messgases wellenlängenabhängig absorbiert. Wie oben bereits anhand von 5 beschrieben tastet das Laserspektrometer die Absorptionslinie 1 der jeweils interessierenden Gaskomponente ab, wobei die dort stattfindende Absorption durch Auswertung des 2f-Signalanteils (I_2f) in dem von dem Detektor 5 erzeugten Detektorsignal 12 ermittelt wird.
Zur Einstellung des Laserspektrometers sind eine mit einem Referenzgas gefüllte Küvette (Gaszelle) 15 und ein Etalon 16 hintereinander in dem Lichtweg zwischen Laserdiode 3 und Detektor 5 angeordnet. Der Etalon 16 weist zwei planparallele teilverspiegelte Fenster 17, 18 auf, zwischen denen das Licht 4 hin und her reflektiert wird. Aufgrund von Vielfach-Interferenzen variiert die Intensität I des austretenden Lichts periodisch mit der Änderung der Laserwellenlänge. Die Anzahl der Perioden ist dabei ein Maß für die Wellenlängenänderung.
Bei der Einstellung der Wellenlänge der Laserdiode 3 anhand des Referenzgases in der Gaszelle 15 stellt die Steuereinrichtung 11 die Amplitude des Modulationssignals 2 so ein, dass die Modulationsamplitude (Frequenz- oder Wellenlängenhub) des von der Laserdiode 3 erzeugten Lichts 4 an die Breite, z. B. Halbwertsbreite FWHM, der Absorptionslinie 1 des Referenzgases angepasst ist. Der Signalanteil des Etalons 16 wird dabei stark unterdrückt und man erhält, wie 2 zeigt, ein nahezu ungestörtes Absorptionsspektrum des Referenzgases.
Bei der Einstellung des Abstimmbereichs, also der Wellenlängenänderung bei vorgegebener Strom-Zeit-Funktion 8, mittels des Etalons 16 stellt die Steuereinrichtung 11 die Amplitude des Modulationssignals 2 so ein, dass die Modulationsamplitude (Frequenz- oder Wellenlängenhub) des von der Laserdiode 3 erzeugten Lichts 4 an den freien Spektralbereich FSR des Etalons 16 angepasst ist. Der Signalanteil der Gaszelle 15 wird dabei stark unterdrückt und man erhält, wie 3 zeigt, ein nahezu ungestörtes Transmissionsspektrum des Etalons 16.
Der Justiervorgang einschließlich des Umschaltens zwischen der Einstellung der Wellenlänge und der des Abstimmbereichs kann automatisch durch einen Rechner 19 gesteuert und protokolliert werden.
4 zeigt die Signalstärke des 2f-Signalanteils I_2f in dem Detektorsignal 12 in Abhängigkeit vom Verhältnis m der Modulation zur spektralen Breite des Etalons 16 (Kurve 20) und zur spektralen Breite der Absorptionslinie des Referenzgases in der Gaszelle 15 (Kurve 21). Die Abhängigkeit des Signalanteils I_2f vom Verhältnis der Modulation zur spektralen Breite des Etalons 16 wird durch die Bessel-Funktion beschrieben. Sie hat das größte Maximum bei m₂₀ = 1,84. Die Abhängigkeit des Signalanteils I_2f vom Verhältnis der Modulation zur Breite der Absorptionslinie des Referenzgases hat ihr einziges Maximum bei m₂₁ = 2,2. Da das Maximum für beide Signalanteile ungefähr bei m = 2 liegt, ist die spektrale Breite des Etalons 16 deutlich kleiner als die der Absorptionslinie gewählt. Dies zeigt sich in 4 in der unterschiedlichen Skalierung der Abszisse für die Kurven 20 und 21. Bei Einstellung des auf die spektrale Breite des Etalons 16 bezogenen Modulationsverhältnisses m₂₀ = 1,84 ist der Signalanteil durch die Absorptionslinie nur sehr gering. Bei Einstellung des auf die spektrale Breite der Absorptionslinie bezogenen Modulationsverhältnisses m₂₁ = 2,2 ist dagegen der Signalanteil des Etalons 16 sehr gering. Besonders günstig werden die Verhältnisse, wenn im letzteren Fall das Modulationsverhältnis m nicht beim Maximum m₂₁ = 2,2 sondern bei einer benachbarten Nullstelle 22 des Etalons 16 gelegt wird. Um dies zu erreichen können z. B. die Länge des Etalons 16 und/oder der Druck des Referenzgases in der Gaszelle 15 geeignet gewählt werden.
Für den idealen Fall einer lorentzförmigen Absorptionslinie kann man einen mathematischen Zusammenhang zwischen der Linienbreite und der Modulation bei Signalmaximum angeben. In der Praxis muss man jedoch von Abweichungen von den in 4 angegebenen theoretischen Kurven ausgehen, so dass in der Praxis die Anpassung der Modulationsamplitude an die jeweilige spektrale Breite im Hinblick auf einen bestmöglichen Kontrast zwischen dem jeweils gewünschten und ungewünschten Signal erfolgt.

Claims

Verfahren zum Einstellen der Wellenlänge und des Abstimmbereichs eines Laserspektrometers mit wellenlängendurchstimmbarer Laserdiode (3), in dessen Lichtweg zwischen der Laserdiode (3) und einem Detektor (5) zur Einstellung der Wellenlänge eine ein Referenzgas enthaltende Gaszelle (15) und zur Einstellung des Abstimmbereichs ein Etalon (16) eingebracht werden, wobei unter der Voraussetzung, dass die Breite (FWHM) der Absorptionslinie (1) des Referenzgases und der freie Spektralbereich (FSR) des Etalons (16) unterschiedlich sind, die Gaszelle (15) und der Etalon (16) hintereinander in dem Lichtweg angeordnet werden, der Injektionsstrom (i) der Laserdiode (3) periodisch moduliert wird, die Modulationsamplitude bei der Einstellung der Wellenlänge an die Breite (FWHM) der Absorptionslinie (1) des Referenzgases und bei der Einstellung des Abstimmbereichs an den freien Spektralbereich (FSR) des Etalons (16) angepasst wird und von der detektierten Lichtintensität (I) die zweite Harmonische (I_2f) ausgewertet wird.
Anordnung zum Einstellen der Wellenlänge und des Abstimmbereichs eines Laserspektrometers, das eine wellenlängendurchstimmbare Laserdiode (3), einem Detektor (5), Mittel (6, 9) zum periodischen Modulieren des Injektionsstroms (i) der Laserdiode (3) und Mittel (13, 14) zur Auswertung der zweiten Harmonischen (I_2f) der detektierten Lichtintensität (I) aufweist, wobei in dem Lichtweg zwischen der Laserdiode (3) und dem Detektor (5) eine zur Einstellung der Wellenlänge dienende und ein Referenzgas enthaltende Gaszelle (15) und ein zur Einstellung des Abstimmbereichs dienender Etalon (16) hintereinander angeordnet sind, die Breite (FWHM) der Absorptionslinie (1) des Referenzgases und der freie Spektralbereich (FSR) des Etalons (16) unterschiedlich sind und Mittel (11) vorgesehen sind, die die Modulationsamplitude bei der Einstellung der Wellenlänge an die Breite (FWHM) der Absorptionslinie (1) des Referenzgases und bei der Einstellung des Abstimmbereichs an den freien Spektralbereich (FSR) des Etalons (16) anpassen.