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Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung zum Leiten elektromagnetischer Strahlung aus einer optischen Faser auf einen Detektor, wobei ein Austrittsende der optischen Faser mit einer Austrittsfläche und eine Detektorfläche des Detektors in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei das Gehäuse wenigstens soweit mit einem für elektromagnetische Strahlung einer gewünschten Wellenlänge transparenten, nicht-gasförmigen Material gefüllt ist, das elektromagnetische Strahlung, die aus der Austrittsfläche des Austrittsendes der optischen Faser austritt, direkt in das Material eintritt und von dem Material direkt auf die Detektorfläche fällt.
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Derartige Detektoranordnungen sind heute aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise für Spektroskope und Gasanalysegeräte aber auch im Telekommunikationsbereich eingesetzt, und sind beispielsweise für chemisch empfindliche optische Sensoren aus der
DE 198 39 552 A1 , der
US 6,469,785 B1 und der
US 7,026,165 B2 bekannt. Die
US 2004/0 115 861 A1 beschreibt eine mikroelektronische Vorrichtung, in der ein Mikrokanal integriert ist. Auch in dieser Vorrichtung wird elektromagnetische Strahlung aus einer optischen Faser auf einen Detektor geleitet, wobei ein zwischengeschaltetes polymeres oder glasartiges Substrat verwendet wird.
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In der Gas-Sensorik wird oftmals das sogenannte TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)-Verfahren verwendet. Dabei wird ausgenutzt, dass bestimmte Gase elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen absorbieren. Vereinfacht ausgedrückt wird bei der TDLAS-Technik ein Probegas, in dem die gewünschte Gaskomponente nachgewiesen werden soll, in einem gasgefüllten Messvolumen durchleuchtet. Dazu wird ein sehr gut charakterisierter Laserstrahl, dessen Wellenlänge sich meist im nahen oder mittleren Infrarotbereich befindet, verwendet. Die Wellenlänge des Lasers wird dabei vorzugsweise schrittweise oder kontinuierlich verändert, sodass eine gas- oder molekülspezifische Abschwächung des am Detektor detektierten Lichtes als Messsignal ausgewertet werden kann.
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Der Transport des Lichtes vom Laser zur Messstelle findet häufig mittels Glasfasern oder anderer optischer Fasern statt und geht von einer fasergekoppelten Laserlichtquelle, beispielsweise einem Diodenlaser, der kommerziell beispielsweise im Telekommunikationsbereich erhältlich ist, aus. Der Vorteil eines solchen faserbasierten Spektrometers besteht darin, dass innerhalb der Faser keine gasspezifische Abschwächung der elektromagnetischen Strahlung stattfinden kann. Sogenannte parasitäre optische Verluste, also Absorptionen, die außerhalb der eigentlichen Messstrecke stattfinden, können so vermieden werden.
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Problematisch ist beispielsweise bei der Messung von niedrigen Wasserdampfkonzentrationen jedoch, dass beispielsweise eine Einkoppelregion zwischen dem Laser und der optischen Faser nicht vollständig wasserfrei ist. Damit wird bereits hier vor der eigentlichen Messstrecke die elektromagnetische Strahlung gasspezifisch geschwächt, was jedoch durch eine Kalibrierung der Messgeräte zum großen Teil ausgeglichen werden kann. Kritisch ist allerdings, dass ein Teil dieser Einkoppelregion dampfdiffusionsoffen ist und somit eine zeitlich variierende Wasserdampfkonzentration enthalten kann. Während dies unter herkömmlichen Laborbedingungen oder beispielsweise für Telekommunikationszwecke nicht problematisch ist, ist dies in kritischen Anwendungen in Forschung oder Industrie beispielsweise auf Forschungsflugzeugen, wo die Luftfeuchte auf weniger als 1/10.000 der herkömmlichen Luftfeuchte abgesenkt werden kann, sehr problematisch und führt zu großen systematischen Abweichungen. Dies gilt umso mehr beim Spurenfeuchten-Nachweis, wie er beispielsweise in der Gasindustrie oder bei der Halbleiterfertigung notwendig ist. Derartige zeitabhängige parasitäre Effekte können naturgemäß mit einer einmaligen Kalibrierung nicht auf Dauer ausgeglichen werden.
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Analoge Schwierigkeiten treten auch bei der Detektoranordnung auf, bei der die elektromagnetische Strahlung aus einer optischen Faser auf eine Detektorfläche eines Detektors geleitet wird. Auch in diesem Bereich kann es zu parasitären Einflüssen kommen. Dies führt dazu, dass die Einflüsse aus dem Einkoppelbereich nicht separat bestimmt oder gemessen werden können, da immer auch parasitäre Strahlungen und Einflüsse aus der Detektoranordnung mit gemessen werden, die nicht voneinander getrennt werden können. Dies wäre jedoch für eine Bestimmung der Störeinflüsse aus der Einkoppelregion dringend notwendig, damit diese möglichst gut kompensiert und ausgeglichen werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Detektoranordnung zum Leiten elektromagnetischer Strahlung aus einer optischen Faser auf einen Detektor so weiterzuentwickeln, dass in der Detektoranordnung selbst keine parasitären Einflüsse entstehen.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine Detektoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die sich dadurch auszeichnet, dass das Material einen optischen Brechungsindex aufweist, der zumindest bei der gewünschten Wellenlänge auf einen Brechungsindex der optischen Phase angepasst ist, insbesondere um weniger als 5%, bevorzugt weniger als 3%, besonders bevorzugt weniger als 1% von diesem abweicht, wobei die Austrittsfläche des Austrittsendes relativ zu der Detektorfläche geneigt angeordnet ist, wobei ein Neigungswinkel, um den die Austrittsfläche relativ zu der Detektorfläche geneigt ist, wenigstens halb so groß, bevorzugt wenigstens genauso groß ist, wie ein Öffnungswinkel der aus der Austrittsfläche austretenden elektromagnetischen Strahlung.
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Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die elektromagnetische Strahlung auf dem Weg von der optischen Faser zur Detektorfläche keine parasitären Strecken durchlaufen muss, auf denen sie in Kontakt mit störenden Gasen kommen kann, die das Messergebnis beispielsweise eines Spektroskops verfälschen können. Dabei kann als Material ein flüssiges oder ein festes Material verwendet werden, wobei festes Material insbesondere für den Fall, dass das Gehäuse nur teilweise gefüllt ist, den Vorteil hat, dass die Orientierung der Detektoranordnung im Raum frei geändert werden kann, ohne dass die Funktionalität der Detektoranordnung beeinträchtigt würde. Als besonders bevorzugtes festes Material hat sich Epoxidharz herausgestellt.
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Erfindungsgemäß weist das Material einen optischen Brechungsindex auf, der zumindest bei der gewünschten Wellenlänge auf einen Brechungsindex der optischen Faser angepasst ist, insbesondere um weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 3 %, besonders bevorzugt weniger als 1 %, von diesem abweicht. Optimalerweise verfügt das Material zumindest bei der gewünschten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung über den gleichen Brechungsindex wie die optische Faser.
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Wie bei jedem Übergang von einem optischen Medium in ein anderes optisches Medium kommt es an der Grenzfläche zu Brechungen und zu Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung. Dadurch wird einerseits die auf die Detektorfläche geleitete Menge der elektromagnetischen Strahlung reduziert. Andererseits kommt es zu interferometrischen Überlagerungen der elektromagnetischen Strahlung. Beides ist für ein optimales Signal-zu-Rausch-Verhältnis nicht vorteilhaft und beeinträchtigt somit die Detektor- und Spektroskopeigenschaften. Durch eine Anpassung der beiden Brechungsindizes des Materials und der optischen Faser ist es möglich, die Grenzfläche zwischen diesen beiden Materialien "verschwinden" zu lassen. Weisen beide Materialien exakt den gleichen Brechungsindex auf, können Brechungen und Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung vollständig vermieden werden. Dadurch werden die Auflösung und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Detektors weiter verbessert.
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Vorzugsweise ist der Teil des Gehäuses, der nicht mit dem Material gefüllt ist, mit einem Füllmaterial, insbesondere einem Epoxidharz ausgefüllt. Dies ist eine einfach herzustellende und kostengünstige Möglichkeit, das Gehäuse vollständig zu füllen, ohne das vollständige Gehäuse mit dem Material, das ggf. sehr kostspielig sein kann, zu füllen. Insbesondere bei der Verwendung flüssiger Materialien ist es von Vorteil, den verbleibenden Teil des Gehäuses ebenfalls auszufüllen, um nicht bei einer Verschwenkung oder Verkippung der Detektoranordnung parasitäre Strecken innerhalb der Detektoranordnung zu generieren.
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Besonders vorteilhaft ist jedoch, wenn das Gehäuse mit dem Material vollständig gefüllt, insbesondere mit dem Material ausgegossen ist. Auf diese Weise werden gegenüber der nur teilweisen Füllung des Gehäuses mit dem Material Arbeitsschritte eingespart und somit das Herstellungsverfahren beschleunigt und die Herstellungskosten gesenkt.
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Erfindungsgemäß ist die Austrittsfläche des Faseraustrittsendes relativ zu der Detektorfläche geneigt angeordnet. Dies bedeutet, dass die beiden Flächen nicht parallel zueinander verlaufen. Elektromagnetische Strahlung, die aus der Austrittsfläche des Austrittsendes der optischen Faser austritt, trifft folglich auf die Detektorfläche, wobei ein Teil der elektromagnetischen Strahlung reflektiert wird. Würde man die Austrittsfläche und die Detektorfläche parallel zueinander ausrichten, würde ein Großteil dieser reflektierten elektromagnetischen Strahlung auf die Austrittsfläche zurückreflektiert werden. Dabei wird ein Teil der elektromagnetischen Strahlung erneut reflektiert, während ein anderer Teil wieder in die optische Faser eindringt. Beides führt zu interferometrischen Überlagerungen elektromagnetischer Wellen, die für das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit die Auflösung des Detektors nachteilig sind. Durch eine geneigte Anordnung der beiden Flächen relativ zueinander wird ein Großteil dieser Rückreflexion der elektromagnetischen Strahlung in die Faser bzw. auf die Austrittsfläche verhindert. Dadurch werden die Detektorqualität und die Qualität des aufgenommenen Messsignals weiter erhöht.
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Erfindungsgemäß ist ein Neigungswinkel, um den die Austrittsfläche relativ zu der Detektorfläche geneigt ist, wenigstens halb so groß, bevorzugt genau so groß, wie ein Öffnungswinkel, der aus der Austrittsfläche austretenden elektromagnetischen Strahlung. Elektromagnetische Strahlung verlässt die optische Faser nicht als vollständig paralleles Strahlenbündel, sondern weist einen Öffnungswinkel auf. Der Öffnungswinkel kann dabei beispielsweise als der Winkel um die Längsachse der optischen Faser definiert werden, außerhalb dessen die Intensität der Laserstrahlung unterhalb eines bestimmten Grenzwertes, beispielsweise die Hälfte oder der 1/e-te Teil der Maximalintensität ist. Wird nun der Neigungswinkel zwischen der Austrittsfläche und der Detektorfläche größer als die Hälfte dieses Öffnungswinkels gewählt, wird elektromagnetische Strahlung, die innerhalb dieses Öffnungswinkels um die Längsachse der optischen Faser die optische Faser verlässt, durch die Detektorfläche nicht auf die Austrittsfläche zurückreflektiert. Je größer der Neigungswinkel ist, desto kleiner ist der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der von der Detektorfläche direkt zurück auf die Austrittsfläche des Austrittsendes der optischen Faser reflektiert werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird der Neigungswinkel so gewählt, dass die von der Detektorfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung auch nach ggf. mehreren weiteren Reflexionen beispielsweise an einer Innenwand des Gehäuses nicht oder erst nach einer möglichst hohen Anzahl von weiteren Reflexionen wieder auf die Detektorfläche und/oder auf die Austrittsfläche reflektiert wird.
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Vorteilhafterweise weist die optische Faser innerhalb des Gehäuses eine Erstreckungsrichtung auf, die mit der Detektorfläche einen Winkel einschließt, der ungleich 90° ist. Auch dadurch wird eine Rückreflexion der elektromagnetischen Strahlung von der Detektoroberfläche in die optische Faser weiter erschwert und reduziert und damit die Detektoreigenschaften weiter verbessert.
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Vorteilhafterweise verfügt die Detektorfläche über eine Anti-Reflex-Beschichtung. Dadurch wird der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der von der Detektorfläche reflektiert wird, reduziert.
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Vorteilhafterweise ist die Art und der Aufbau der Anti-Reflex-Beschichtung auf den Brechungsindex des Materials, das zwischen dem Faseraustrittsende und der Detektorfläche des Detektors angeordnet ist und auf den Brechungsindex des Materials der Detektorfläche angepasst. Durch derartige Anpassungen lassen sich die Reflexionen an den jeweiligen Grenzflächen weiter reduzieren.
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Um eine möglichst diffuse Emission der elektromagnetischen Strahlung aus der optischen Faser zu erhalten, wird die Austrittsfläche vorteilhafterweise aufgeraut.
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Insbesondere für den Fall, dass das Gehäuse mit zwei unterschiedlichen Materialien gefüllt ist, ist es von Vorteil, wenn in dem Bereich, der nicht direkt zwischen der Austrittsfläche der optischen Faser und der Detektorfläche liegt, beispielsweise Glasmehl dem zusätzlichen Material, insbesondere dem Epoxidharz, zugesetzt wird. Dadurch werden einerseits die oftmals hochempfindlichen Einzelteile der Detektoranordnung zu einer robusten Einheit verbunden und gleichzeitig die optische Faser auch gegen Zugbelastungen entlastet.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Erstreckungsrichtung der optischen Faser innerhalb des Gehäuses nicht nur mit der Detektorfläche einen Winkel auf, der ungleich 90° ist, sondern auch mit der Austrittsfläche des Austrittsendes. Gleichzeitig ist die Austrittsfläche gegenüber der Detektorfläche weiterhin geneigt. Auf diese Weise werden die bereits beschriebenen Vorteile der beiden Ausgestaltungen weiterhin verwirklicht und gleichzeitig erreicht, dass austretende elektromagnetische Strahlung, die das Austrittsende durch die Austrittsfläche verlässt, von der optischen Achse und der Erstreckungsrichtung der optischen Faser weggebrochen wird, sodass eine Rückreflexion weiter verringert wird. Insbesondere diese Brechung findet jedoch nur statt, wenn die optischen Brechungsindizes der optischen Faser und des Materials, dass das Austrittsende umgibt, unterschiedlich sind.
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Ein erfindungsgemäßes Spektroskop, insbesondere ein Gasanalysegerät, verfügt über wenigstens eine der hier beschriebenen Detektoranordnungen. Damit lassen sich die parasitären Einflüsse aus anderen Teilen der Vorrichtung bestimmen, ohne dass weitere Störeinflüsse aus der Detektoranordnung das Messergebnis verfälschen würden. Mit Hilfe der beiliegenden Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt
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1 – die schematische Schnittdarstellung durch eine Detektoranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine Detektoranordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Sie verfügt über einen Detektor 2, der an einem Deckel 4 angeordnet ist. Der Detektor 2 ist über zwei Drähte 6 elektrisch kontaktiert. An seiner dem Deckel 4 abgewandten Seite verfügt der Detektor 2 über eine Detektorfläche 8, auf die elektromagnetische Strahlung trifft.
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Die Detektoranordnung 1 verfügt zudem über eine optische Faser 10, die im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Kern 12, einen Mantel 14 sowie eine Umhüllung 16 umfasst.
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Die optische Faser 10 ragt in ein Gehäuse 18, das auch den Detektor 2 mit der Detektorfläche 8 umgibt. Am in 1 rechten Ende der optischen Faser 10 befindet sich ein Austrittsende 20 mit einer Austrittsfläche 22. Das Austrittsende 20 mit der Austrittsfläche 22. Das Austrittsende 20 mit der Austrittsfläche 22 sowie der Detektor 2 mit der Detektorfläche 8 sind vom Material 24 umgeben, das vorteilhafterweise ein auf den Brechungsindex des Kerns 12 der optischen Faser 10 angepasstes Epoxidharz ist. Der Rest des Gehäuses 18 ist mit einem Füllmaterial 26 ausgefüllt, dem beispielsweise Glasmehl als Verstärkung zugemischt ist und beispielsweise als Faserentlastung für die optische Faser 10 dient. Natürlich kann das Gehäuse 18 auch vollständig mit dem Material 24 ausgefüllt sein.
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Man erkennt in 1, dass die Austrittsfläche 22 und die Detektorfläche 8 relativ zueinander geneigt ausgebildet sind. Dadurch werden Rückreflexionen der elektromagnetischen Strahlung von der Detektorfläche 8 zurück in die optische Faser 10 verringert. Die optische Faser 10 verfügt über eine Längserstreckungsrichtung, die wie in 1 dargestellt, mit der Detektorfläche 8 einen Winkel ungleich 90° einschließt. Gleichzeitig hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Austrittsfläche 22 ebenfalls mit der Längserstreckung der optischen Faser 10 einen Winkel ungleich 90° einschließt. Dann kommt es zu der in 1 dargestellten Brechung der elektromagnetischen Strahlung weg von der optischen Achse und der Längserstreckungsrichtung der optischen Faser 10.
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Die Austrittsfläche 22 kann vorteilhafterweise aufgerauht sein, um eine diffuse Emission der elektromagnetischen Strahlung aus dem Austrittsende 20 der optischen Faser 10 zu erreichen. Dadurch wird erreicht, dass einerseits ein möglichst großer Bereich der Detektorflächen 8 verwendet wird, sodass es nicht oder weniger zu lokalen Sättigungen der Detektorfläche kommt. Gleichzeitig werden Interferenzen zwischen dem Austrittsende 20 bzw. der Austrittsfläche 22 und der Detektorfläche 8 wirkungsvoll unterdrückt und reduzieren somit prinzipbedingte Fehlerquellen.
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Durch die in 1 dargestellte Ausgestaltung wird zudem verhindert, dass durch ggf. vorhandene Leckagen und Diffusionspfade zwischen dem Mantel 14 und der Umhüllung 16 der optischen Faser 10 störende Gase ins Innere des Gehäuses 18 eindringen und so das Messergebnis verfälschen könnten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Detektoranordnung
- 2
- Detektor
- 4
- Deckel
- 6
- Draht
- 8
- Detektorfläche
- 10
- optische Faser
- 12
- Kern
- 14
- Mantel
- 16
- Umhüllung
- 18
- Gehäuse
- 20
- Austrittsende der Faser
- 22
- Austrittsfläche der Faser
- 24
- Material
- 26
- Füllmaterial
