DE102014220282A1

DE102014220282A1 - Vorrichtung und verfahren zur mehrfachreflektion von lichtstrahlen durch einen gemeinsamen brennpunkt

Info

Publication number: DE102014220282A1
Application number: DE102014220282.5A
Authority: DE
Inventors: Jörn Winter; Stefan Reuter; Mattis Hänel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2016-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Mehrfachreflektion von Lichtstrahlen, wobei diese Lichtstrahlen durch einen gemeinsamen Brennpunkt gehen. Die Vorrichtung umfasst zwei Parabolspiegel und zwei Retro-Reflektoren, die so angeordnet sind, dass erstens der Brennpunkt des einen Parabolspiegels identisch mit dem des anderen Parabolspiegels ist und zweitens, dass paralleles Licht, das in y-Richtung auf einen der Spiegel geleitet wird, anschließend durch den gemeinsamen Brennpunkt beider Parabolspiegel geht und – nachdem es den zweiten Parabolspiegel erreicht hat – von diesem zweiten Parabolspiegel wieder parallel zur y-Richtung reflektiert wird und auf einen der Retro-Reflektoren trifft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Mehrfachreflektion von Lichtstrahlen, wobei diese Lichtstrahlen durch einen gemeinsamen Brennpunkt gehen. Ziel ist die Verlängerung der Absorptionslänge für spektroskopische Messungen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient sowohl der ortsaufgelösten Messung geringer Konzentrationen von inhomogen verteilten Spezies in einem kleinen räumlich begrenzten Volumen, wobei die Lichtstrahlen in einem gemeinsamen Punkt gebündelt sind, als auch der Messung homogen verteilter Absorptionsmedien, bei denen ein gemeinsamer Brennpunkt nicht notwendig ist. Ein mögliches Anwendungsbeispiel ist die Laser-Atom-Absorptionsspektroskopie an einem Atmosphärendruck-Plasmajet.
Stand der Technik
Für spektroskopische Messungen, insbesondere in der Absorptionsspektroskopie, ist die Verlängerung der Absorptionslänge zum Nachweis und zur Quantifizierung der absorbierenden Spezies oftmals eine notwendige Voraussetzung. Diese Verlängerung kann durch Mehrfachdurchführung des Lichtstrahls durch das zu untersuchende Medium erfolgen. Sollen geringe Konzentrationen von inhomogen verteilten Spezies in einem kleinen räumlich begrenzten Volumen ortsaufgelöst detektiert werden, ist es erforderlich, die Lichtstrahlen in einem gemeinsamen Punkt zu bündeln.
Grundsätzlich existieren zwei Möglichkeiten die Absorptionslänge durch Mehrfachreflektion zu erhöhen. Zum einen durch eine Cavity-Anordnung und zum anderen durch eine Multipass-Anordnung. Bei ersterem werden zwei hochreflektive Spiegel so zueinander justiert, dass der Lichtstrahl ständig in sich selbst zurückreflektiert wird. Dadurch lassen sich je nach Spiegelreflektivität mehr als tausend Reflektionen und damit Absorptionslängen von mehreren Kilometern erreichen (Anwendungen: Cavity-Ringdown-Spektroskopie). Allerdings bilden sich hierbei unter dem Effekt der Interferenz stehende Wellen aus. Dadurch entsteht analog zum Fabry-Perot Interferometer eine Modenstruktur. Diese kann unter Umständen für die Messung hinderlich sein, da vornehmlich nur die Wellenlängen zur Untersuchung beitragen, die konstruktiv interferieren.
Bei einer Multipass-Anordnung wird der Lichtstrahl nicht direkt in sich selbst zurückreflektiert. Daher bildet sich keine Modenstruktur aus. Allerdings liegen die hierbei erzielten Reflektionen meist bei unter hundert. Für eine Vielzahl Absorptionsmessungen reicht es allerdings meist schon aus, wenn der Lichtstrahl zehnmal das absorbierende Medium durchläuft.
Klassische Multipass-Absorptionszellenkonzepte sind die Pfund-, White- und Heriotzelle. Deren unterschiedliche Konzeption hat gemein, dass bei keiner der Zellen ein nutzbarer Fokalpunkt entsteht, durch den alle Strahlen laufen. Daher eignen sich diese Zellen besonders für absorbierende Medien, die in einem relativ großen Volumen homogen verteilt vorliegen. Mit diesen Systemen lassen sich Spezieskonzentrationen im parts per billion Bereich ermitteln. Ist aber die Speziesverteilung stark inhomogen so liefern diese Zellen allerdings nur einen gemittelten Konzentrationswert, der je nach Inhomogenität stark von der wahren Konzentration abweichen kann.
Im Patent US 7876433 B2 wird eine ringförmige Multipass-Absorptionszelle vorgestellt. Auch hier bildet sich kein gemeinsamer Fokalpunkt aus.
Das Patent US 8218139 B2 stellt eine optische Vorrichtung vor, die aus zwei aneinander fixierten Parabolspiegeln besteht. Ein solches Element wird hierbei als optical reimaging element (ORIE) bezeichnet. Mindestens zwei solcher Elemente stellen eine Multipass-Anordnung dar. Es werden Anordnungen von ORIE’s beschrieben, die es ermöglichen, alle reflektierten Lichtstrahlen durch einen gemeinsamen Fokalpunkt (Brennpunkt) zu führen. Durch Ausrichtung der ORIE’s zueinander kann dabei die Anzahl der Reflektionen eingestellt werden. In der Patentschrift US 8218139 B2 sind Darstellungen von bis zu 10 Strahldurchgängen zu finden.
Bei den klassischen Multipasskonzepten bildet sich kein gemeinsamer Fokalpunkt aus. Daher sind diese Anordnungen grundsätzlich zur Analyse von stark inhomogenen Speziesverteilungen ungeeignet. Einzig die genannte Lösung des Patents US 8218139 B2 bietet durch die Ausbildung eines gemeinsamen Fokalpunktes die Möglichkeit stark inhomogene Verteilungen adäquat zu untersuchen. Allerdings wird hier ein spezielles optisches Element (ORIE) benötigt, um eine derartige Absorptionszelle zu konstruieren. Zudem ist der Justierungsaufwand einer aus zwei ORIEs bestehenden Multipasszelle vergleichsweise hoch. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es sich bei dem ORIE nicht um ein standardmäßiges optisches Bauelement handelt. Dies macht den Austausch im Fall von Verschleiß, wie er beispielsweise bei der Untersuchung von reaktiven Gasen auftritt, unnötig teuer. Auch leidet die Flexibilität erheblich, da bei einem Wechsel der Brennweite oder beim Übergang in einen anderen Wellenlängenbereich beide ORIEs ausgetauscht werden müssen. Eine weitere Einschränkung in der Verwendung dieses Konzeptes ist, dass die dargestellte Vorrichtung nur als Multipasszelle mit gemeinsamem Brennpunkt verwendet werden kann. Eine gleichzeitige Realisierung einer Multipasszelle mit parallelem Strahlengang ist im Stand der Technik bisher nicht vorgesehen. Dies wäre aber von Vorteil, wenn die Vorrichtung sowohl für herkömmliche Messaufgaben (parallele Strahlführung für homogen verteilte Medien) als auch für Anwendungen mit der Notwendigkeit eines Brennpunktes verwendet werden soll.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile zu beseitigen.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wurde gemäß den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Es wird eine Anordnung von zwei Parabolspiegeln und zwei Retro-Reflektoren bereitgestellt, wobei der Brennpunkt des einen Parabolspiegels identisch mit dem des anderen Parabolspiegels ist. Bei den Parabolspiegeln handelt es sich vorzugsweise um handelsübliche off-axis-Parabolspiegel. Außerdem sind die Parabolspiegel so zueinander angeordnet, dass paralleles Licht, das in y-Richtung auf einen der Spiegel geleitet wird, anschließend durch den gemeinsamen Brennpunkt beider Parabolspiegel geht und, nachdem es den zweiten Parabolspiegel erreicht hat, von diesem zweiten Parabolspiegel wieder parallel zur y-Richtung reflektiert wird. Dieses reflektierte Licht trifft dann auf einen der Retro-Reflektoren, wird dort in x-Richtung versetzt und erneut in y-Richtung auf den Parabolspiegel geleitet. Von dort geht das Licht erneut durch den gemeinsamen Brennpunkt und gelangt wieder auf den Eingangsparabolspiegel. Dieser reflektiert das Licht ebenfalls parallel zur y-Richtung. Das Licht wird dann – analog zu dem ersten Retro-Reflektor – vom zweiten Retro-Reflektor in x-Richtung versetzt und auf den Eingangsspiegel zurückgeworfen. Durch Variation der x-Position beider Retroreflektoren lässt sich die Anzahl der Lichtdurchgänge durch den Brennpunkt variieren (vgl. 1 und 2). Anstelle der Retroreflektoren lassen sich auch Prismen oder Spiegel-Retroreflektoren einsetzen.
Es hat sich herausgestellt, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bis zu 19 Strahldurchgänge erzielt werden können.
Die Erfindung ermöglicht – im Unterschied zum Stand der Technik – mit herkömmlichen optischen Komponenten die Mehrfachreflektion von Licht, wobei alle Lichtstrahlen durch einen gemeinsamen Brennpunkt gehen. Die Anzahl der Durchgänge lässt sich durch die Variation der x-Position der Prismen/Retroreflektoren einstellen.
Im Vergleich zur Multipassanordnung bestehend aus zwei ORIEs (siehe US 8218139 B2 ) ergibt sich mit der vorliegenden Erfindung eine deutliche Justierungserleichterung. Dies ist in den 3 und 4 dargestellt. Um den Justierungsaufwand beider Systeme vergleichen zu können, wird vorerst von den jeweils aus zwei Parabolspiegeln bestehenden Einzelelementen ausgegangen (3). Zur Herstellung dieser Einzelelemente sind gewisse Justierungsschritte notwendig. Im Fall der hier vorgestellten Erfindung muss einer der beiden Parabolspiegel linear in y-Richtung, in x-Richtung und in z-Richtung justiert werden. Weiterhin muss eine Justierung per Rotation um die x-Achse als auch um die y-Achse erfolgen. Insgesamt sind demnach zur Justierung des erfindungsgemäßen Einzelelements 3 lineare Justierungsschritte und 2 Rotationsjustierungsschritte durchzuführen.
Im Falle der ORIE Herstellung sind bis auf die lineare Bewegung entlang der x-Achse und die Rotation um die y-Achse alle zuvor genannten Justierungsschritte notwendig. Die lineare x-Achsen Bewegung und die Rotation um die y-Achse werden allerdings bei der Herstellung in gewisser Weise auch benötigt, da beide Parabolspiegel für den Klebeprozess geeignet zusammen geführt werden müssen. Dazu ist eine, für die exakte Zusammenführung notwendige, planparallele Schnittkannte an den Parabolspiegeln erforderlich. Der Aufwand der exakten Schnittkantenerstellung ist vergleichbar, zumindest aber nicht unkomplizierter als die lineare Justierung entlang der x-Achse und die Rotation um die y-Achse beim erfindungsgemäßen Einzelelement.
Zusammenfassend besitzt demnach der Herstellungsprozess der jeweiligen Einzelelemente eine vergleichbare Komplexität, wobei die ORIE-Herstellung unter Umständen aufgrund der zusätzlichen Schneide- und Klebeschritte durchaus komplexer sein kann.
Der Justierungsvorteil der erfindungsgemäßen Multipasszelle, gegenüber einer Multipasszelle bestehend aus zwei ORIEs, wird aus 4 ersichtlich. Gestrichelt umrandet sind die jeweiligen Einzelelemente dargestellt. Im vorherigen Abschnitt wurde bereits verdeutlicht, dass der Justierungsaufwand beider Einzelzellen vergleichbar komplex ist. Betrachtet man nun den Justierungsaufwand zum Aufbau einer Multipasszelle bestehend aus zwei ORIEs, so muss man drei lineare Justierungen (entlang der x-, der y- und der z-Richtung) und zwei Rotationsjustierungen (um die x- und um die y-Achse) vornehmen. Im Falle der erfindungsgemäßen Multipasszelle reduziert sich dieser Aufwand auf eine lineare Justierung des Retroreflektors 1 in z-Richtung und zwei lineare Justierungen des Retroreflektors 2 in z- und x-Richtung. Damit werden im Vergleich mit einer Multipasszelle bestehend aus zwei ORIEs zwei Rotationsjustierungen eingespart. Dabei ist hervorzuheben, dass nicht nur zwei Justierungsschritte eingespart werden, sondern für die Justierung der erfindungsgemäßen Multipasszelle nur lineare Verstell-Elemente zum Einsatz kommen. Deren Komplexität ist deutlich geringer ist als die der Rotationselemente. Hierdurch vereinfacht sich die Justierung zusätzlich.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass aufgrund der ausschließlichen Verwendung von optischen Standardkomponenten für den erfindungsgemäßen Multipasszellenaufbau eine einfache Ersetzbarkeit der Komponenten im Falle von Verschleiß, bei Änderung der Brennweite und bei Wechsel des spektralen Anwendungsbereiches gegeben ist.
Da der Abstand zwischen Reflektor und Parabolspiegel beliebig gewählt werden kann, lässt sich die Erfindung zusätzlich zur Multipassanordnung mit gemeinsamem Brennpunkt (5, Bereich A) als Multipassanordnung mit parallelen Strahlen (5, Bereich B) nutzen. Damit können mit ein und derselben Anordnung Absorptionsmessung in homogen verteilten Absorptionsmedien durchgeführt werden (parallele Strahlen) als auch Messungen, bei denen ein gemeinsamer Brennpunkt notwendig ist.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• einstellbare Mehrfachreflektion von Lichtstrahlen durch einen gemeinsamen Brennpunkt
• ohne den Einsatz von kostspieligen und komplizierten optischen Komponenten. Es kommen nur klassische optische Elemente zum Einsatz. Dies reduziert die Kosten des Systems beim Aufbau und im Falle des Ersetzens von Komponenten im Falle von Verschleiß bzw. Parameteränderung (Brennweite, spektraler Bereich)
• Reduzierung des Justierungsaufwandes im Vergleich zum Stand der Technik
• Gleichzeitige Verwendung der Erfindung als Multipasszelle mit einem gemeinsamen Brennpunkt und als Multipasszelle mit paralleler Strahlführung.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der 1 bis 5 näher erläutert werden, ohne die Erfindung auf diese Figuren zu reduzieren.
1 zeigt eine Simulation des Lichtweges durch die Multipassanordnung mit 14 Strahldurchgängen. In 2 sind 4 Strahldurchgänge erkennbar. 3 zeigt den Justierungsaufwand der Einzelelemente. Links ist der Justierungsaufwand gemäß Patentschrift US 8218139 B2 dargestellt, rechts die Anordnung und der Justierungsaufwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 4 bildet den Justierungsaufwand der Multipasszelle ab. Die jeweiligen Einzelelemente haben einen vergleichbaren Justierungsaufwand. 5 zeigt die gleichzeitige Verwendung der Erfindung als Multipasszelle mit einem gemeinsamen Brennpunkt (Bereich A) und als Multipasszelle mit paralleler Strahlführung (Bereich B).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7876433 B2 [0006]
US 8218139 B2 [0007, 0007, 0008, 0013, 0021]

Claims

Vorrichtung zur Mehrfachreflektion von Lichtstrahlen durch einen gemeinsamen Brennpunkt umfassend zwei Parabolspiegel und zwei Retro-Reflektoren, die so angeordnet sind, dass erstens der Brennpunkt des einen Parabolspiegels identisch mit dem des anderen Parabolspiegels ist und zweitens, dass paralleles Licht, das in y-Richtung auf einen der Spiegel geleitet wird, anschließend durch den gemeinsamen Brennpunkt beider Parabolspiegel geht und – nachdem es den zweiten Parabolspiegel erreicht hat – von diesem zweiten Parabolspiegel wieder parallel zur y-Richtung reflektiert wird und auf einen der Retro-Reflektoren trifft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Retro-Reflektoren Prismen verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Parabolspiegeln um handelsübliche off-axis-Parabolspiegel handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich zur Wartung oder zur Anpassung an andere Wellenlängenbereiche einzelne Komponenten der Vorrichtung einfach austauschen lassen.
Verfahren zur Mehrfachreflektion von Lichtstrahlen durch einen gemeinsamen Brennpunkt mittels der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer y-Achse paralleles Licht auf einen der Parabolspiegel trifft, anschließend durch den gemeinsamen Brennpunkt beider Parabolspiegel zum zweiten Parabolspiegel geht, von dort parallel zur y-Achse reflektiert wird, auf einen der beiden Retro-Reflektoren trifft, dort in Richtung einer x-Achse verschoben wird und erneut auf den Parabolspiegel trifft.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der x-Position beider Retro-Reflektoren sich die Anzahl der Lichtdurchgänge durch den Brennpunkt variieren lässt.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 oder des Verfahrens gemäß Anspruch 5 oder 6 zur Verlängerung der Absorptionslänge für spektroskopische Messungen.
Verwendung nach Anspruch 7 zur sowohl ortsaufgelösten Messung geringer Konzentrationen von inhomogen verteilten Spezies in einem kleinen räumlich begrenzten Volumen, wobei die Lichtstrahlen in einem gemeinsamen Punkt gebündelt sind als auch zur Messung homogen verteilter Absorptionsmedien, bei denen ein gemeinsamer Brennpunkt nicht notwendig ist.
Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung von inhomogen verteilten Spezies in einem kleinen räumlich begrenzten Volumen im Brennpunkt der Parabolspiegel erfolgt.
Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung homogen verteilter Absorptionsmedien zwischen einem der Parabolspiegel und einem der Retro-Reflektoren erfolgt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zur Laser-Atom-Absorptionsspektroskopie an einem Atmosphärendruck-Plasmajet.