DE102014111309B3

DE102014111309B3 - Zeitaufgelöstes Spektrometer und Verfahren zum zeitaufgelösten Erfassen eines Spektrums einer Probe

Info

Publication number: DE102014111309B3
Application number: DE102014111309.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Weber; Christoph Kaiser; Georg von Freymann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-02-11
Anticipated expiration: 2034-08-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer (1, 1') zum zeitaufgelösten Erfassen eines Spektrums einer Probe. Um ein auf einer Wellenlänge-Zeit-Wandlung beruhendes Spektrometer mit einer verbesserten Abtastrate bereitzustellen, wird erfindungsgemäß ein Spektrometer vorgeschlagen mit einer ersten Quelle (6, 6') zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung, einem Probenhalter (7), der derart angeordnet ist, dass eine in dem Probenhalter (7) aufgenommene Probe in einem Strahlengang der von der ersten Quelle (6, 6') im Betrieb des Spektrometers (1, 1') erzeugten elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, einer zweiten Quelle (2) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses, einem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element (3) in einem Strahlengang des von der zweiten Quelle (2) im Betrieb des Spektrometers (1, 1') erzeugten elektromagnetischen Impulses, einem nicht-linearen optischen Element (9), das in dem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung von der ersten Quelle (6, 6') hinter dem Probenhalter (7) und in dem Strahlengang des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle (2) hinter dem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element (3) derart angeordnet ist, dass sich die Strahlengänge in dem nicht-linearen optischen Element (9) räumlich überlappen, wobei im Betrieb des Spektrometers (1, 1') die elektromagnetische Strahlung von der ersten Quelle (6, 6') und der elektromagnetische Impuls von der zweiten Quelle (2) als Pump-Strahlung und als Signal-Strahlung in dem nicht-linearen optischen Element (9) durch Vierwellenmischen eine Idler-Strahlung erzeugen, einem Detektor für die Idler-Strahlung und einer mit dem Detektor elektrisch verbundenen Erfassungseinrichtung, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers (1, 1') die Leistung der auf den Detektor treffenden Idler-Strahlung zeitaufgelöst erfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer zum zeitaufgelösten Erfassen eines Spektrums einer Probe sowie ein Verfahren zum zeitaufgelösten Erfassen eines Spektrums einer Probe.
Klassische Spektrometer nutzen eine Wellenlänge-Ort-Wandlung, um spektrale Eigenschaften von Proben zu erfassen. Dabei wird eine Probe mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, welche durch die Probe eine wellenlängenabhängige Dämpfung erfährt. Wird die Strahlung hinter der Probe beispielsweise auf ein Gitter oder ein Prisma gegeben, so werden die einzelnen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung räumlich an unterschiedliche Orte abgelenkt.
Es gibt jedoch auch Spektrometer, welche eine Wellenlänge-Zeit-Wandlung verwenden, um die wellenlängenabhängige Dämpfung einer Probe erfassbar zu machen, wie in A. M. Fard, B. Buckley et al., ”All-optical time-stretch digitizer”, Appl. Phys. Lett. 101, 051113 (2012) offenbart. Dabei durchläuft ein kurzer und spektral breitbandiger Impuls der elektromagnetischen Strahlung zuerst die zu untersuchende Probe, um anschließend in einem gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element eine zeitliche Verteilung der einzelnen Wellenlängenkomponenten zu erfahren. Das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element bewirkt eine Transformation der spektralen Information in eine Zeitinformation, die mittels eines Detektors und einer zugehörigen Messeinrichtung, beispielsweise eines Oszilloskops, gemessen werden kann.
Der Vorteil von Messverfahren, die auf einer Wellenlänge-Zeit-Wandlung beruhen, liegt in der Messgeschwindigkeit. Bei einem Spektrometer kann so ein einziger Impuls zur Aufnahme des gesamten Spektrums dienen und die Messzeit für das gesamte Spektrum liegt dabei nur im Bereich von Nanosekunden. Dabei kann die Messung mit der Wiederholrate des für die Erzeugung der elektromagnetischen Impulse genutzten Lasers periodisch wiederholt werden. Dadurch können spektrale Informationen mit einer zeitlichen Abtastrate von einigen 10 ns erfasst werden. Die zeitliche Auflösung entspricht dabei der Impulsdauer im Bereich von 100 fs. Dies erlaubt die Untersuchung von sich zeitlich schnell verändernden Systemen. Mit einem solchen Messverfahren wurden in einem Spektrometer Wellenlängenauflösungen von 8 pm bei einer zeitlichen Abtastrate von 800 ns über einen Bereich von 15 nm gezeigt.
Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein auf einer Wellenlänge-Zeit-Wandlung beruhendes Spektrometer mit einer verbesserten Abtastrate bereitzustellen. Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zeitaufgelöstes Spektrometer bereitzustellen, welches eine verbesserte Zeitauflösung erzielt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zumindest in einer Ausführungsform ein Spektrometer bereitzustellen, welches einen auswählbar einstellbaren Aufnahmebereich aufweist.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird durch ein zeitaufgelöstes Spektrometer gelöst, welches aufweist: eine erste Quelle zum Erzeugen elektromagnetischer Dauerstrichstrahlung, einen Probenhalter, der derart angeordnet ist, dass eine in dem Probenhalter aufgenommene Probe in einem Strahlengang der von der ersten Quelle im Betrieb des Spektrometers erzeugten elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung angeordnet ist, eine zweite Quelle zum Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses, ein erstes gruppengeschwindigkeitsdispersives Element (3, 11) in einem Strahlengang des von der zweiten Quelle im Betrieb des Spektrometers (1, 1') erzeugten elektromagnetischen Impulses, ein nicht-lineares optisches Element, das in dem Strahlengang der elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle hinter dem Probenhalter und in dem Strahlengang des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle hinter dem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element derart angeordnet ist, dass sich die Strahlengänge in dem nicht-linearen optischen Element räumlich überlappen, wobei im Betrieb des Spektrometers die elektromagnetische Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle als Signal-Strahlung und der elektromagnetische Impuls von der zweiten Quelle als Pump-Strahlung in dem nicht-linearen optischen Element durch Vierwellenmischen eine Idler-Strahlung erzeugen, einen Detektor für die Idler-Strahlung und eine mit dem Detektor elektrisch verbundenen Erfassungseinrichtung, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers die Leistung der auf den Detektor treffenden Idler-Strahlung oder ein Maß für die Leistung zeitaufgelöst erfasst.
Idee des zeitaufgelösten Spektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, eine der elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle von einer Probe aufgeprägte sich zeitlich ändernde Dämpfung zunächst spektral zu codieren und dann zeitaufgelöst zu erfassen. Zu diesem Zweck bilden die elektromagnetische Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle und der elektromagnetische Impuls von der zweiten Quelle Signal- und Pump-Strahlung in einem nicht-linearen optischen Element. Ein solches nicht-lineares optisches Element ist insbesondere ein nicht-linearer optischer Kristall oder eine hoch-nicht-lineare optische Faser (HNLF) zum Vierwellenmischen (four wave mixing; FWM).
Der elektromagnetische Impuls von der zweiten Quelle durchläuft vor dem nicht-linearen optischen Element ein erstes gruppengeschwindigkeitsdispersives Element, sodass der elektromagnetische Impuls in dem nicht-linearen optischen Element gechirpt ist. Dies bedeutet, dass die Frequenzkomponenten des elektromagnetischen Impulses zeitlich über den elektromagnetischen Impuls verteilt sind und nicht alle gleichzeitig über den ganzen elektromagnetischen Impuls hinweg vorliegen.
Die Aufnahmedauer, d. h. der Zeitbereich, über welchen hinweg mit einem einzigen elektromagnetischen Impuls Phänomene in der Probe beobachtet werden können, liegt in der Größenordnung der zeitlichen Dauer des elektromagnetischen Impulses hinter dem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element.
Daher ermöglicht es eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die Aufnahmedauer durch Wahl eines geeigneten ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Elements einzustellen. Vorzugsweise ist das erste gruppengeschwindigkeitsdispersive Element in einer Ausführungsform derart ausgestaltet und angeordnet, dass sich gesamte Gruppengeschwindigkeitsdispersion, welche der elektromagnetische Impuls erfährt, und damit der Aufnahmebereich auswählbar einstellen lässt.
Unter impulsförmiger elektromagnetischer Strahlung bzw. einem elektromagnetischen Impuls im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird impulsförmige elektromagnetische Strahlung mit kurzer zeitlicher Dauer des Impulses, vorzugsweise mit einer Dauer von weniger als 10 ps, und besonders bevorzugt von weniger als 1 ps betrachtet. Derartige elektromagnetische Impulse haben eine große spektrale Bandbreite.
Kurze elektromagnetische Impulse lassen sich insbesondere mit optischen (Ultra-)Kurzpulslasern, beispielsweise mit Halbleiter-, Festkörper- oder Faserlasern, als Quelle erzeugen. Während der Wellenlängen- bzw. Frequenzbereich des elektromagnetischen Impulses in Abhängigkeit von den Komponenten des Spektrometers gewählt werden wird, liegt dieser in einer Ausführungsform beispielsweise im sichtbaren bis infraroten Spektralbereich.
Ein Probenhalter im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein Element, das so ausgestaltet ist, dass es eine Probe, beispielsweise einen Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas, aufnehmen kann, sodass der Strahlengang der von der ersten Quelle im Betrieb des Spektrometers erzeugten elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung durch die Probe transmittiert wird oder von dieser reflektiert wird. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Probenhalter eine Probenkammer für eine feste, flüssige oder gasförmige Probe, beispielsweise eine Gaszelle für ein zu spektroskopierendes Gas.
Ein gruppengeschwindigkeitsdispersives Element im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist jedes Element, welches eine wellenlängen- bzw. frequenzabhängige Ausbreitungsgeschwindigkeit für elektromagnetische Strahlung bereitstellt. Ein Beispiel für ein solches gruppengeschwindigkeitsdispersives Element im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein hochdispersiver Glasfaserabschnitt, beispielsweise ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter.
Als Detektor für das erfindungsgemäße Spektrometer sind alle Detektoren, welche Intensitäten bzw. Leistungen erfassen und in ein Strom- bzw. Spannungssignal umsetzen, grundsätzlich geeignet. Dabei muss der Detektor jedoch insbesondere eine Bandbreite aufweisen, die es ihm ermöglicht, die zeitliche Änderung der Intensität der auf ihn fallenden elektromagnetischen Strahlung auf der durch die Gesamtdispersion, welche der elektromagnetische Impuls von der zweiten Quelle vor dem nicht-linearen optischen Element und die Idler-Strahlung hinter dem nicht-linearen optischen Element erfahren, vorgegebenen Zeitskala zu erfassen. Zudem ist es bei nachfolgender digitaler Auswertung des Strom- bzw. Spannungssignals des Detektors erforderlich, dass ein dabei verwendete Analog-Digital-Wandler in einer Ausführungsform eine elektrische Bandbreite aufweist, die es ebenfalls ermöglicht, Intensitätsänderungen mit der erforderlichen zeitlichen Auflösung zu erfassen.
Eine Erfassungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist beispielsweise ein Oszilloskop oder auch ein mit einer entsprechenden Schnittstelle ausgestatteter Rechner.
Die erste Quelle ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Quelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Dauerstrichstrahlung. Auf diese Weise lässt sich zu einem gegebenen Zeitpunkt nur die Frequenzantwort der Probe für eine einzige Frequenz bzw. einen einzigen Frequenzbereich, welcher durch die Kohärenz der Quelle bestimmt ist, erfassen.
Eine solche Ausführungsform ist insbesondere geeignet, zeitaufgelöst die Absorption einer einzigen Absorptionslinie einer Probe, beispielsweise eines Gases, zu erfassen.
Ein Beispiel für eine zeitliche Änderung der Absorption einer Absorptionslinie ist ein Polymerisierungsprozess eines Kunststoffs, bei welchem die Absorption mit zunehmender Polymerisierung, d. h. im Zeitverlauf, zunimmt.
Eine geeignete Quelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Dauerstrichstrahlung ist beispielsweise ein Diodenlaser.
Ist die erste Quelle in einer Ausführungsform abstimmbar, d. h. lässt sich die Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung einstellen, so lassen sich seriell, d. h. zeitlich nacheinander, verschiedene Linien des Spektrums zeitaufgelöst erfassen.
Zur Veranschaulichung der Funktionsweise des zeitaufgelösten Spektrometers mit einer ersten Quelle, welche elektromagnetische Dauerstrichstrahlung erzeugt, wird hier schematisch eine Probe betrachtet, die eine sich zeitlich ändernde Absorption genau bei der Frequenz aufweist, welche die erste Quelle emittiert. Dabei liegt die Zeitskala der zeitlichen Änderung der Absorption der Probe bei dieser Linie in der Größenordnung der zeitlichen Länge des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle nach dem Durchlaufen des ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Elements.
Bei dem Vierwellenmischen in dem nicht-linearen optischen Element hängt die Intensität der generierten Idler-Strahlung sowohl von der Intensität der Signal-Strahlung als auch der Intensität der Pump-Strahlung ab. Eine Absorption bei der von der ersten Quelle emittierten Dauerstrichstrahlung führt zu einer Verringerung der Intensität der auf das nicht-lineare optische Element auftreffenden Intensität der Dauerstrichstrahlung und damit zu einer Verringerung der Intensität der durch das Vierwellenmischen generierten Idler-Strahlung. Wenn die Absorption nur zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der zeitlichen Länge des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle auftritt, so weist die generierte Idler-Strahlung zu diesem Zeitpunkt ebenfalls eine verringerte Intensität auf.
Der durch das erste gruppengeschwindigkeitsdispersive Element dem elektromagnetischen Impuls von der zweiten Quelle aufgeprägte Chirp, d. h. die zeitliche Verteilung der beteiligten optischen Frequenzen innerhalb des Impulses, setzt sich in der ebenfalls impulsförmigen Idler-Strahlung fort (dort jedoch absolut im Frequenzraum verschoben).
Daher ist der durch die Absorption der Dauerstrichstrahlung in der Probe bedingte Einbruch in der Intensität der Idler-Strahlung zu einem bestimmten Zeitpunkt eindeutig einer Frequenz bzw. einem Frequenzbereich innerhalb des Impulses der Idler-Strahlung zugeordnet.
In einer nicht beanspruchten Alternative zur vorliegenden Erfindung ist die erste Quelle eine Quelle zum Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses.
Ein kurzer elektromagnetischer Impuls ist spektral breitbandig. Das heißt, durchläuft ein kurzer elektromagnetischer Impuls die Probe, so wird die spektrale Antwort der Probe für eine Vielzahl von Frequenzen bzw. ein ganzes Frequenzband, nämlich das Frequenzband aller an der Entstehung des kurzen elektromagnetischen Impulses beteiligten Frequenzen, gleichzeitig abgefragt. Ein Durchstimmen der Quelle, so wie sie bei einer Quelle für elektromagnetische Dauerstrichstrahlung erforderlich ist, um spektrale Information über mehr als eine Frequenz bzw. ein schmales Frequenzband zu erhalten, entfällt.
Zum Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses in der ersten Quelle kann diese ein herkömmlicher ps-, fs-Kurzpulslaser, beispielsweise ein Festkörperlaser oder ein Faserlaser, sein. Die zeitliche Abtastrate, mit der das Spektrometer dabei arbeitet, ist gleich der Wiederhohlrate bzw. Repetitionsrate der Impulse des als erste Quelle verwendeten Lasers.
Der Impuls wird wieder durch eine Probe in dem Probenhalter transmittiert oder wird von dieser reflektiert. Dabei erfährt der Impuls eine frequenzabhängige Dämpfung.
In dem nicht-linearen optischen Element werden dann durch Vierwellenmischen auf den gechirpten in der zweiten Quelle erzeugten elektromagnetischen Impuls die Informationen über die Absorption der Probe, welche in dem Impuls von der ersten Quelle steckt, frequenz- und zeitaufgelöst aufgeprägt und mit dem Detektor und der mit diesem verbundenen Erfassungseinrichtung detektiert.
Die Aufnahmedauer bestimmt sich wie zuvor aus der spektralen Bandbreite des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle sowie den Dispersionseigenschaften des ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Elements im Strahlengang des von der zweiten Quelle im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Impulses.
Wird als erste Quelle ein Kurzpulslasersystem verwendet, so ist es wichtig, dass neben einem räumlichen Überlapp der elektromagnetischen Impulse von der ersten und der zweiten Quelle in dem nichtlinearen optischen Element die Impulse sich in dem nichtlinearen optischen Element sich auch zeitlich überlappen, um eine nichtlineare Wechselwirkung überhaupt zu ermöglichen.
Daher ist es zweckmäßig, wenn in diesem Fall die Wiederhol- oder Repetitionsrate der elektromagnetischen Impulse von der ersten Quelle größer ist als die Wiederhol- oder Repetitionsrate der elektromagnetischen Impulse von der zweiten Quelle. Die erste Quelle ist dann so eingerichtet, dass sie im Betrieb elektromagnetische Impulse mit einer Wiederholrate in einem Bereich von 10 GHz bis 100 GHz erzeugt. Die zweite Quelle ist demnach so eingerichtet, dass sie im Betrieb elektromagnetische Impulse mit einer Wiederholrate in einem Bereich von 10 MHz bis 100 MHz erzeugt.
Wichtig ist bei einer Realisierung eines zeitaufgelösten Spektrometers, dass in dem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung von der ersten Quelle bis zu dem nicht-linearen optischen Element keine oder nur eine sehr geringe Gruppengeschwindigkeitsdispersion auftritt, um eine Verfälschung der von der Probe aufgeprägten Zeitinformation zu verhindern.
Zudem muss die Impulsdauer des Impulses von der ersten Quelle kleiner sein als der zeitliche Abstand zweier benachbarter Impulse, um ein Überlappen zu verhindern.
Weist in einer Ausführungsform der Erfindung das Spektrometer zusätzlich ein zweites gruppengeschwindigkeitsdispersives Element hinter dem nicht-linearen optischen Element auf, so lässt sich damit die zeitliche Auflösung des Spektrometers vergrößern.
Hinter dem nicht-linearen optischen Element ist die Information über die Absorption der Probe, welche zunächst der elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle beim Durchlaufen der Probe aufgeprägt wurde, spektral codiert. Das heißt der Zeitpunkt des Auftretens der Absorption ist eindeutig einer Frequenzkomponente oder einem Frequenzband des Impulses der Idler-Strahlung zugeordnet. Wird nun mit dem zweiten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element der Impuls zeitlich weiter aufgeweitet, so wird dadurch auch die Zeitauflösung vergrößert.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das zweite gruppengeschwindigkeitsdispersive Element derart in einem Resonator angeordnet, dass ein Teil der Idler-Strahlung das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element zumindest zweimal durchläuft, wobei sich die in zwei Durchläufen der Idler-Strahlung durch das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element eingefügte Dispersion nicht kompensiert und wobei das zeitaufgelöste Spektrometer eine mit dem Detektor elektrisch verbundene Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers die Leistung der auf den Detektor treffenden Idler-Strahlung nach einer vorgegebenen Anzahl von Durchläufen der Idler-Strahlung durch das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element zeitaufgelöst erfasst.
Durchläuft der elektromagnetische Impuls der Idler-Strahlung das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element mehrfach, so ist es entscheidend, dass sich die Dispersion des gruppengeschwindigkeitsdispersiven Elements in zwei Durchläufen der Strahlung durch das dispersive Element nicht kompensiert, sondern vorzugsweise addiert. Auf diese Weise hängt die gesamte Dispersion, welche die Idler-Strahlung erfährt, von der Anzahl der Durchläufe durch das dispersive Element bzw. der Umläufe des Impulses der Idler-Strahlung in dem Resonator ab. Die Gesamtdispersion, welche der elektromagnetische Impuls der Idler-Strahlung erfährt, wiederum bestimmt die Zeitauflösung des Spektrometers.
Als Resonator, in welchem das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element angeordnet ist, kommen sowohl Ringresonatoren als auch lineare Resonatoren in Frage. Besonders zweckmäßig ist jedoch die Verwendung eines faseroptischen Ringresonators.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Gesamtdispersion, welche die impulsförmige Idler-Strahlung hinter dem nicht-linearen optischen Element erfährt und damit die Zeitauflösung, einstelbar ausgestaltet. Dazu weist in einer Ausführungsform der Erfindung das zeitaufgelöste Spektrometer eine Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung auf, die so eingerichtet ist, dass sie die Leistung der nach einer auswählbar einstellbaren Anzahl von Durchläufen durch das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element auf den Detektor treffenden Strahlung erfasst. Das heißt, der Benutzer oder auch eine Software wählt aus, welche Auflösung gewünscht ist, und stellt dann das Spektrometer so ein, dass die Leistung eines elektromagnetischen Impulses der Idler-Strahlung nach einer vorgegebenen Anzahl von Durchläufen durch das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element erfasst wird. Dabei bestimmt dann die ausgewählte und eingestellte Anzahl von Durchläufen durch das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element die Zeitauflösung des Spektrometers.
Auf diese Weise ist es möglich, sich beispielsweise zunächst einen Überblick über das erfasste Spektrum bzw. die zeitliche Entwicklung des Spektrums zu verschaffen und dann die Auflösung stufenweise zu erhöhen, um die interessierenden Detailmerkmale des Spektrums bei nachfolgenden Messungen auch zu erfassen. Eine solche einstellbare Zeitauflösung weist insbesondere den Vorteil auf, dass es dann das Spektrometer mit einer einzigen Apparatur möglich macht, sowohl Spektren geringer Zeitauflösung, dafür jedoch mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis als auch Spektren mit hoher Auflösung, jedoch mit einem verschlechterten Signals-Rausch-Verhältnis, zu erfassen.
Mit zunehmender Gesamtdispersion des zweiten gruppengengeschwindigkeitsdispersiven Elements verringert sich das Signal-Rausch-Verhältnis. Daher verfügt das Spektrometer in einer Ausführungsform der Erfindung über einen optischen Verstärker, welcher die Leistung der Idler-Strahlung verstärkt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Dabei ist in einer Ausführungsform der Erfindung der optische Verstärker in einem Resonator, welcher das zweite gruppengeschwindigkeitsdispersive Element enthält, angeordnet. Handelt es sich bei dem Spektrometer um eine faseroptische Vorrichtung, ist es zweckmäßig, wenn ein solcher optischer Verstärker ebenfalls ein faseroptischer Verstärker ist.
Zum Einstellen der Anzahl von Durchläufen durch das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element, welche die Idler-Strahlung erfahren haben muss, bevor sie mit vorgegebener Zeitauflösung erfasst wird, lassen sich zwei Konzepte unterscheiden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Resonator einen Auskoppler auf, der für die elektromagnetische Strahlung teilweise durchlässig ist, sodass pro Durchlauf eines Impulses der Idler-Strahlung durch den Resonator immer ein bestimmter Bruchteil der Leistung des Impulses aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Dabei ist die Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung so eingerichtet, dass sie die Leistung der innerhalb eines bestimmten, einer auswählbar einstellbaren Anzahl von Durchläufen des Impulses der Idler-Strahlung durch den Resonator entsprechenden Zeitfensters auf den Detektor treffenden Strahlung erfasst.
Mit jedem Umlauf eines Impulses in dem Resonator, d. h. jedem Umlauf durch das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element erhöht sich die Gesamtdispersion, welche der Impuls der Idler-Strahlung erfährt. Da nach jedem Durchlauf des Impulses durch den Resonator ein Teil seiner Leistung an dem teilweise durchlässigen Auskoppler des Resonators ausgekoppelt wird, kann man sich das Spektrum mit einer auswählbaren zeitlichen Auflösung anschauen, in dem die Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung genau dasjenige Signal des Detektors ansieht, welches zu einer ausgewählten Anzahl von Durchläufen des Impulses durch den Resonator gehört.
In einer alternativen Ausführungsform weist der Resonator einen schaltbaren Auskoppler auf, der mit der Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers die Leistung eines Impulses der Idler-Strahlung nach einer auswählbar einstellbaren Anzahl von Durchläufen des Impulses durch den Resonator aus dem Resonator auskoppelt.
Diese Ausführungsform hat gegenüber einer Ausführungsform, bei welcher der Resonator einen passiven, teilweise durchlässigen Auskoppler aufweist, den Vorteil, dass im Wesentlichen die gesamte Leistung des Impulses der Idler-Strahlung für die Messung zur Verfügung steht, unabhängig von der gewählten Auflösung.
Ein solcher schaltbarer Auskoppler kann in einer Ausführungsform jede Art eines schaltbaren Spiegels oder Kopplers sein, welcher eine ausreichende Schaltgeschwindigkeit bereitstellt. Geeignet ist ein elektrooptischer Modulator, insbesondere eine Pockels-Zelle oder eine Kerr-Zelle, oder auch ein akusto-optischer Modulator.
In einer Ausführungsform mit einem zweiten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element und mit einer ersten Quelle, welche eine Quelle für einen elektromagnetischen Impuls ist, ist die Wellenlängenauflösung δλ des Spektrometers gegeben als:
wobei Δλ die Bandbreite der ersten Quelle, ∂f die Bandbreite des Analog-Digital-Wandlers, welcher das Signal des Detektors ausliest, t_Streck die Impulsdauer der Strahlung von der zweiten Quelle nach der Streckung, Δt₀ die Impulsdauer des Impulses von der ersten Quelle (verknüpft mit der Bandbreite zum Zeit-Bandbreiten-Produkt),
der Streckfaktor des Spektrometers und D_1,2 die Dispersionsparameter des ersten bzw. zweiten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Elements ist.
Zuvor wurden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei welchen das zweite gruppengeschwindigkeitsdispersive Element in einem Resonator angeordnet ist. Es versteht sich, dass in einer Ausführungsform das erste gruppengeschwindigkeitsdispersive Element in einem ebensolchen Resonator angeordnet sein kann. Auf diese Weise kann die Aufnahmedauer verändert werden und vorzugsweise auswählbar einstellbar ausgestaltet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Strahlengang des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle vor dem nicht-linearen optischen Element und/oder in dem Strahlengang der elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle vor dem nicht-linearen optischen Element ein optischer Verstärker angeordnet. Auf diese Weise können die Pump- bzw. Signalstrahlung vor ihrer Wechselwirkung in dem nicht-linearen optischen Element verstärkt werden, so dass die Idler-Strahlung eine ausreichende Intensität aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Elemente des Spektrometers zumindest teilweise, vorzugsweise aber vollständig, als faseroptische Komponenten realisiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in dem Strahlengang der elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle und in dem Strahlengang des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle vor dem nicht-linearen optischen Element ein die Strahlengänge räumlich überlagerndes Element angeordnet.
Ist das Spektrometer zumindest teilweise durch faseroptische Komponenten realisiert, so kann das die beiden Strahlengänge räumlich überlagernde Element ein WDM-Koppler, d. h. ein faseroptischer Schmelzkoppler sein, welcher die beiden in zwei Glasfasern zunächst räumlich getrennt verlaufenden Strahlengänge in einer einzigen Faser zusammenführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist hinter dem nicht-linearen optischen Element ein frequenzabhängiger Strahlteiler angeordnet, wobei der Strahlteiler so eingerichtet ist, dass er die Idler-Strahlung von der Pump-Strahlung und/oder der Signal-Strahlung räumlich trennt.
Dabei ist es insbesondere zweckmäßig, wenn der frequenzabhängige Strahlteiler derart eingerichtet ist, dass er die Idler-Strahlung sowohl von der Pump-Strahlung als auch von der Signal-Strahlung räumlich trennt.
Aufgrund des Vierwellenmischens weist die Idler-Strahlung eine andere Schwerpunktfrequenz auf als die Pump-Strahlung und/oder die Signal-Strahlung, sodass durch spektrale Filterung beispielsweise mit Hilfe eines frequenzabhängigen Strahlteilers die Idler-Strahlung hinter dem nicht-linear optischen Element extrahiert werden kann, sodass der Detektor nur die interessierende Idler-Strahlung erfasst.
In einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Spektrometer zumindest teilweise durch faseroptische Komponenten realisiert ist, ist ein solcher frequenzabhängiger Strahlteiler insbesondere durch einen WDM-Koppler, d. h. einen faseroptischen Schmelzkoppler realisierbar.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch durch ein Verfahren zum Erfassen eines Spektrums einer Probe, welches die folgenden Schritte aufweist, gelöst: Erzeugen elektromagnetischer Dauerstrichstrahlung mit einer ersten Quelle, Bereitstellen einer Probe in einem Strahlengang der von der ersten Quelle im Betrieb des Spektrometers erzeugten elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung, Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses mit einer zweiten Quelle, Einfügen einer Gruppengeschwindigkeitsdispersion in dem von der zweiten Quelle erzeugten elektromagnetischen Impulses mit einem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element, Erzeugen einer Idler-Strahlung durch Vierwellenmischen in einem nicht-linearen optischen Element im Strahlengang hinter der Probe und im Strahlengang hinter dem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element, wobei die elektromagnetische Dauerstrichstrahlung von der der ersten Quelle und der elektromagnetische Impuls von der zweiten Quelle Signal-Strahlung und Pump-Strahlung des Vierwellenmischprozesses bilden, Detektieren der Leistung der Idler-Strahlung und zeitaufgelöstes Erfassen der Leistung der auf den Detektor treffenden Idler-Strahlung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und Ausführungsformen davon sowie der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt eine schematische Ansicht des Aufbaus einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zeitaufgelösten Spektrometers.
2 zeigt eine Darstellung der Leistung aufgetragen gegenüber der Wellenlänge für einen elektromagnetischen Impuls des Pump-Lasers aus 1.
3 zeigt eine Darstellung der Leistung aufgetragen genüberüber die Zeit für einen elektromagnetischen Impuls hinter dem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element aus 1.
4 zeigt eine Darstellung der optischen Leistung aufgetragen gegenüber der Zeit für die elektromagnetische Dauerstrichstrahlung hinter der Gaszelle aus 1.
5 zeigt eine Darstellung der spektralen Leistung aufgetragen gegenüber der Wellenlänge für die räumlich überlagerten Signale hinter dem ersten WDM-Koppler aus 1.
6 zeigt eine Darstellung der spektralen Leistung hinter dem nicht-linearen optischen Element aus 1.
7 zeigt eine Darstellung der Leistung aufgetragen gegenüber der Zeit für die Idler-Strahlung hinter dem zweiten WDM-Koppler aus 1.
8 zeigt eine Darstellung der Leistung aufgetragen gegenüber der Zeit für die Idler-Strahlung hinter dem zweiten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element aus 1.
9 zeigt eine nicht beanspruchte alternative Ausführungsform des zeitaufgelösten Spektrometers aus 1.
In den Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
In 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen zeitaufgelösten Spektrometers dargestellt.
Das Spektrometer 1 verfügt über ein faseroptisches Kurzpulslasersystem 2 (zweite Quelle im Sinne der vorliegenden Anmeldung), welches in der dargestellten Ausführungsform ultrakurze elektromagnetische Impulse mit einer Wiederholrate von 50 MHz und einer Impulsdauer von etwa 100 fs bei einer Mittenwellenlänge von 1550 nm erzeugt. Diese optischen Impulse dienen bei dem im Folgenden beschriebenen Prozess des Vierwellenmischens als Pump-Strahlung.
Die von dem Kurzpulslasersystem 2 erzeugten, elektromagnetischen Impulse sind spektral breitbandig, sowie dies in 2 dargestellt ist. 2 zeigt eine Auftragung der normierten spektralen Leistung gegenüber der Wellenlänge für die von dem Kurzpulslasersystem 2 generierten elektromagnetischen Impulse. Diese sind unmittelbar hinter dem Kurzpulslasersystem 2, dieser Ort in dem Spektrometer 1 ist in 1 mit A bezeichnet, über die gesamte Impulsdauer zeitlich delokalisiert. Das heißt alle Wellenlängen bzw. Frequenzen sind über die gesamte Impulsdauer hinweg vorhanden.
Dieser Impuls durchläuft dann ein erstes gruppengeschwindigkeitsdispersives Element 3, nämlich in der dargestellten Ausführungsform einen hochdispersiven Glasfaserabschnitt, realisiert durch ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter. Hinter diesem hochdispersiven Glasfaserabschnitt 3 weist der Impuls wie in 3 gezeigt eine zeitliche Ausdehnung von etwa 0,5 ns (FWHM) auf. Die Darstellung aus 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung in W aufgetragen gegenüber der Zeit in ns an dem in 1 mit B bezeichneten Punkt.
Um eine für den nicht-linearen optischen Prozess ausreichende Leistung der Pump-Strahlung bereitzustellen, ist in dem Strahlengang der Pump-Strahlung hinter dem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element 3 ein faseroptischer Verstärker 4 angeordnet. Dieser ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Erbium-dotierter Faserverstärker.
Der Strahlengang des von dem Kurzpulslasersystem 2 erzeugten elektromagnetischen Impulses wird nun mit Hilfe eines WDM-Kopplers 5, hier einem faseroptischen 2 × 1 Schmelzkoppler, dem Strahlengang der durch die Probe verlaufenden elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung überlagert.
Zum Erzeugen der elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung weist das Spektrometer 1 zusätzlich einen Diodenlaser 6 auf. Dieser stellt die erste Quelle zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung im Sinne der vorliegenden Anmeldung dar. Diese Dauerstrichstrahlung durchläuft eine Probenkammer 7. Die Probenkammer 7 ist in dieser Ausführungsform der Probenhalter im Sinne der vorliegenden Anmeldung. In der Probenkammer 7 ist eine zu spektroskopierende Substanz aufgenommen.
Mit anderen Worten ausgedrückt, dient die von dem Diodenlaser 6 erzeugte Dauerstrichstrahlung der eigentlichen Spektroskopie an der Substanz. In der dargestellten Ausführungsform ist in der Probenkammer 7 Pentaerythritol triacrylat (PETA) enthalten. Pentaerythritol triacrylat (PETA) polymerisiert bei optischer Anregung mit Laserstrahlung ausgewählter Wellenlänge (in 1 nicht dargestellt). Der Polymerisierungsprozess läuft irreversibel auf einer Zeitskala von weniger als 1 ps ab. Während der Polymerisation weist das PETA eine erhöhte Absorption bei einer Wellenlänge von 1550 nm auf. Es versteht sich, dass die Wellenlänge des Dauerstrichlasers 6 so gewählt ist, dass sie ebenfalls bei 1550 nm liegt.
Der zeitliche Ablauf des Polymerisationsprozesses ist daher der optischen Leistung der Dauerstrichstrahlung hinter der Probenkammer 7 aufgeprägt. In 4 ist diese optische Leistung der Dauerstrichstrahlung in W gegenüber der Zeit in ns an dem Punkt C aus 1 aufgetragen. Erkennbar ist, dass nach dem Beginn des Polymerisationsprozesses die Absorption einsetzt, d. h. die Leistung der Dauerstrichstrahlung, welche hinter der Probenkammer 7 messbar ist, nimmt drastisch ab. Nach Vervollständigung der Polymerisation erreicht die Absorption wieder das gleiche Maß wie vor dem Polymerisationsprozess.
Betrachtet man sich die Auftragung aus 4, so ist erkennbar, dass der Polymerisationsprozess auf einer Zeitskala von weniger als 0,5 ns abläuft. Diese Änderung der Absorption gegenüber der Zeit gilt es mit Hilfe des vorliegenden Spektrometers zu erfassen.
Auch die Dauerstrichstrahlung wird hinter der Probenkammer 7 mit Hilfe eines Faserlaserverstärkers 8 nachverstärkt, um die Effizienz des nicht-linearen optischen Prozesses zu verbessern. Dann wird die elektromagnetische Dauerstrichstrahlung ebenfalls in den 2 × 1 WDM-Koppler 5 eingespeist, sodass der elektromagnetische Impuls aus dem Kurzpulslasersystem 2 und die Dauerstrichstrahlung aus dem Laser 6 hinter dem WDM-Koppler 5 einander räumlich überlagert sind.
In 5 ist das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung in der Faser hinter dem WDM-Koppler 5 an der mit D in 1 bezeichneten Stelle aufgetragen. Aufgetragen ist die spektrale Leistung in dB gegenüber der Wellenlänge in nm. Erkennbar ist der spektral breitbandige Impuls mit einer Mittenfrequenz von etwa 1550 nm sowie die Dauerstrichstrahlung bei einer Wellenlänge von 1600 nm.
In der nun im Strahlengang folgenden hoch nicht-linearen Faser 9 tritt ein Vierwellenmischen auf, wobei der Impuls im Kurzpulslasersystem 2 als Pump-Strahlung und die Dauerstrichstrahlung aus dem Laser 6 als Signal-Strahlung wirken.
Für ein besseres Verständnis des dem erfindungsgemäßen Spektrometer 1 zu Grunde liegenden physikalischen Effekts wird nun das optische Spektrum in der Glasfaser an dem mit E bezeichneten Punkt aus 1 betrachtet. Dieses Spektrum ist in 6 als spektrale Leistung in dB gegenüber der Wellenlänge in nm dargestellt.
Erkennbar sind wie in 5 der elektromagnetische Impuls der Pump-Strahlung mit einer Mittenwellenlänge von etwa 1550 nm sowie die zur eigentlichen Spektroskopie verwendete Dauerstrichstrahlung bei etwa 1600 nm.
Durch das Vierwellenmischen in dem nicht-linearen Faserabschnitt 9 sind jedoch weitere Impulse entstanden, die von der Wellenlänge des Pump-Impulese einen spektralen Abstand aufweisen, welche gleich der Wellenlängendifferenz zwischen der Mittenwellenlänge der Pump-Strahlung und der Wellenlänge der Dauerstrichstrahlung ist.
Die Pump-Strahlung war zuvor mit Hilfe des ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Elements 3 gechirpt worden, d. h. die in dem Impuls enthaltenen Frequenzen bzw. Wellenlängen sind zeitlich innerhalb des Impulses lokalisiert. Das Einsetzen von Absorption innerhalb der Probenkammer 7 bei der Wellenlänge von 1600 nm aus dem Laser 6 führt daher zu einem Verlust der durch das Vierwellenmischen in dem nicht-linearen Faserabschnitt 9 generierten Idler-Strahlung zu einem bestimmten Zeitpunkt und damit bei einer bestimmten Wellenlänge. Daher ist der Absorptionsprozess und sein zeitlicher Verlauf im Wellenlängenspektrum, so wie es in 6 dargestellt ist, als ein Einbruch in der bei einer bestimmten Wellenlänge generierten Leistung des Idler-Signals sichtbar.
Im Strahlengang hinter dem nicht-linearen optischen Element 9 ist ein weiterer faseroptischer WDM-Koppler zum Trennen der Idler-Strahlung der niedrigsten Ordnung sowohl von der Pump-Strahlung, der Signal-Strahlung als auch von Idler-Strahlung höherer Ordnungen vorgesehen. Dieser WDM-Koppler 10 ist als faseroptischer 1 × 2 Schmelzkoppler ausgestaltet.
Aufgrund der eindeutigen Zuordnung der einzelnen im Impuls der Idler-Strahlung hinter dem nicht-linearen optischen Element 9 enthaltenen Wellenlängen bzw. Frequenzen zu einer Zeit, ist der zeitliche Verlauf der Absorption in der Probenkammer 7 auch in einer Messung der Leistung des Impulses der Idler-Strahlung hinter dem nicht-linearen Element 9 bzw. dem WDM-Koppler 10 messbar. Eine solche Messung an dem mit F in 1 bezeichneten Punkt ist in 7 gezeigt. Dabei ist die Leistung in W gegenüber der Zeit in ns aufgetragen.
Streckt man nun den Impuls der Idler-Strahlung mit Hilfe eines zweiten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Elements 11 erneut, so kann man die Auflösung in der Darstellung des Absorptionsprozesses erhöhen.
Die Erhöhung der Auflösung wird offensichtlich aus der Darstellung der Leistung in W gegenüber der Zeit in ns für den Impuls der Idler-Strahlung hinter dem zweiten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element 11, welche an dem Punkt G aus 1 erfasst wurde. Zur Messung des zeitlichen Verlaufs der Leistung gegenüber der Zeit wird ein herkömmlicher Fotodetektor, nämlich eine Fotodiode, welche an ein Oszilloskop angeschlossen ist, verwendet. Die Kombination aus Detektor und Oszilloskop, welches als Erfassungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung dient, ist in 1 mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.
Es versteht sich, dass das Oszilloskop alternativ auch durch eine Rechneranordnung mit einer entsprechenden mit dem Detektor verbundenen Schnittstelle ersetzt werden könnte.
9 zeigt eine nicht beanspruchte Abwandlung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektrometers aus 1.
Dabei ist bei dem Spektrometer 1' aus 9 gegenüber dem Spektrometer 1 aus 1 der Dauerstrichlaser 6 durch ein weiteres Kurzpulslasersystem 6' ersetzt. Dieses Kurzpulslasersystem 6' verfügt gegenüber dem Laser 2 der zweiten Quelle über eine deutlich höhere Repetitionsrate der erzeugten elektromagnetischen Impulse von 50 GHz. Auf diese Weise kann zusätzlich zu der Information über eine zeitliche Änderung der Absorption eine spektrale Antwort des in der Probenkammer 7 enthaltenen Gases über einen durch die Bandbreite des von dem Kurzpulslasersystem 6' erzeugten optischen Impulses bestimmten Wellenlängenbereich erfasst werden. Das Detektionsprinzip und die weiteren Komponenten des Spektrometers 1' sind dieselben wie in dem Spektrometer 1 aus 1.
Für den Zweck der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen” nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine” oder „ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
Bezugszeichenliste

1, 1': Spektrometer
2, 6': Kurzpulslasersystem
3: erstes gruppengeschwindigkeitsdispersives Element
4: faseroptischer Verstärker
5: WDM-Koppler
6: Dauerstrichlaser
7: Probenkammer
8: Faserlaserverstärker
9: nicht-lineares optisches Element
10: WDM-Koppler
11: zweites gruppengeschwindigkeitsdispersives Element
12: Kombination aus Detektor und Oszilloskop

Claims

Spektrometer (1) zum zeitaufgelösten Erfassen eines Spektrums einer Probe mit einer ersten Quelle (6) zum Erzeugen elektromagnetischer Dauerstrichstrahlung, einem Probenhalter (7), der derart angeordnet ist, dass eine in dem Probenhalter (7) aufgenommene Probe in einem Strahlengang der von der ersten Quelle (6) im Betrieb des Spektrometers (1) erzeugten elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung angeordnet ist, einer zweiten Quelle (2) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses, einem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element (3) in einem Strahlengang des von der zweiten Quelle (2) im Betrieb des Spektrometers (1) erzeugten elektromagnetischen Impulses, einem nicht-linearen optischen Element (9), das in dem Strahlengang der elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle (6) hinter dem Probenhalter (7) und in dem Strahlengang des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle (2) hinter dem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element (3) derart angeordnet ist, dass sich die Strahlengänge in dem nicht-linearen optischen Element (9) räumlich überlappen, wobei im Betrieb des Spektrometers (1) die elektromagnetische Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle (6) als Signal-Strahlung und der elektromagnetische Impuls von der zweiten Quelle (2) als Pump-Strahlung in dem nicht-linearen optischen Element (9) durch Vierwellenmischen eine Idler-Strahlung erzeugen, einem Detektor für die Idler-Strahlung und einer mit dem Detektor elektrisch verbundenen Erfassungseinrichtung, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers (1) die Leistung der auf den Detektor treffenden Idler-Strahlung zeitaufgelöst erfasst.
Spektrometer (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang der Idler-Strahlung hinter dem nicht-linearen optischen Element (9) ein zweites gruppengeschwindigkeitsdispersives Element (11) angeordnet ist.
Spektrometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle (2) vor dem nichtlinearen optischen Element (9) und/oder in dem Strahlengang der elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle (6) vor dem nicht-linearen optischen Element (9) ein optischer Verstärker (4, 8) angeordnet ist.
Spektrometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang der elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle (6) und in dem Strahlengang des elektromagnetischen Impulses von der zweiten Quelle (2) vor dem nicht-linearen optischen Element (9) ein die Strahlengänge räumlich überlagerndes Element, vorzugsweise ein WDM-Koppler (5), angeordnet ist.
Spektrometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem nicht-linear optischen Element (9) ein frequenzabhängiger Strahlteiler, vorzugsweise ein WDM-Koppler (10), angeordnet ist, wobei der Strahlteiler so eingerichtet ist, dass er die Idler-Strahlung von der Pump-Strahlung und/oder der Signal-Strahlung räumlich trennt.
Spektrometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente des Spektrometers (1) zumindest teilweise als faseroptische Komponenten realisiert sind.
Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite gruppengeschwindigkeitsdispersive Element (11) derart in einem Resonator angeordnet ist, dass ein Teil der Idler-Strahlung das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element (11) mindestens zweimal durchläuft, wobei sich die in zwei Durchläufen der Idler-Strahlung durch das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element (11) eingefügte Dispersion nicht kompensiert und wobei das zeitaufgelöste Spektrometer (1) eine mit dem Detektor elektrisch verbundene Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers (1) die Leistung der nach einer Anzahl von Durchläufen durch das gruppengeschwindigkeitsdispersive Element (11) auf den Detektor treffenden Idler-Strahlung zeitaufgelöst erfasst.
Spektrometer (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator einen Auskoppler aufweist, der für die Idler-Strahlung teilweise durchlässig ist, so dass pro Durchlauf der Idler-Strahlung durch den Resonator ein Teil der Leistung der Idler-Strahlung aus dem Resonator ausgekoppelt wird, wobei die Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie die Leistung des innerhalb eines bestimmten, einer auswählbar einstellbaren Anzahl von Durchläufen der Idler-Strahlung durch den Resonator zugeordneten Zeitfensters auf den Detektor treffenden Idler-Strahlung erfasst.
Spektrometer (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator einen schaltbaren Auskoppler aufweist, der mit der Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers (1) die Leistung der Idler-Strahlung nach einer auswählbar einstellbaren Anzahl von Durchläufen Idler-Strahlung durch den Resonator aus dem Resonator auskoppelt.
Spektrometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite gruppengeschwindigkeitsdispersive Element (3, 11) ein gruppengeschwindigkeitsdispersiver Faserabschnitt, insbesondere ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter, ist.
Verfahren zum zeitaufgelösten Erfassen eines Spektrums einer Probe mit den Schritten Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten Quelle (6), Bereitstellen einer Probe in einem Strahlengang der von der ersten Quelle (6) erzeugten elektromagnetischen Dauerstrichstrahlung, Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses mit einer zweiten Quelle (2), Einfügen einer Gruppengeschwindigkeitsdispersion in dem von der zweiten Quelle (2) erzeugten elektromagnetischen Impuls mit einem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element (3), Erzeugen einer Idler-Strahlung durch Vierwellenmischen in einem nicht-linearen optischen Element (9) im Strahlengang hinter der Probe und im Strahlengang hinter dem ersten gruppengeschwindigkeitsdispersiven Element (3), wobei die elektromagnetische Dauerstrichstrahlung von der ersten Quelle (6) und der elektromagnetische Impuls von der zweiten Quelle (2) Signal-Strahlung und Pump-Strahlung des Vierwellenmischprozesses bilden, Detektieren der Leistung der Idler-Strahlung und zeitaufgelöstes Erfassen der Leistung der auf den Detektor treffenden Idler-Strahlung.