DE102015109430B3

DE102015109430B3 - Optical measuring device and optical measuring method

Info

Publication number: DE102015109430B3
Application number: DE102015109430.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Wolf; Armin Lambrecht; Frank Kühnemann; Jens Kiessling; Johannes Herbst
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2035-06-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung mit einer Anregungseinrichtung, die eine Probe derart anregt, dass die Probe intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Frequenz und einer sich zeitlich ändernden Intensität abstrahlt, und einer Detektionseinrichtung für die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz, die einen Frequenzkonverter mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Frequenz und einem nicht-linear optischen Element, das in einem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz und in einem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz angeordnet ist, wobei das nicht-linear optische Element derart eingerichtet ist, dass es in dem Betrieb der Messvorrichtung durch einen nicht-linear optischen Prozess elektromagnetische Strahlung mit einer dritten Frequenz erzeugt, so dass die dritte Frequenz größer ist als die erste Frequenz, und einen Strahlungsdetektor für die elektromagnetische Strahlung mit der dritten Frequenz aufweist. Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung mit einem verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis bereitzustellen. Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die zuvor genannte Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Frequenzkonverter zwischen einer ersten Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses und einer zweiten Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses änderbar ist, wobei die erste Effizienz größer ist als die zweite Effizienz, und wobei die Messvorrichtung eine Steuerung aufweist, welche in dem Betrieb der Messvorrichtung den Frequenzkonverter derart zwischen der ersten und der zweiten Effizienz ändert, dass dann wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der ersten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der Frequenzkonverter die erste Effizienz aufweist und dann wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der zweiten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der Frequenzkonverter die zweite Effizienz aufweist.The present invention relates to an optical measuring device with an excitation device, which excites a sample such that the sample emits intensity-modulated electromagnetic radiation having a first frequency and a time-varying intensity, and a detection device for the electromagnetic radiation having the first frequency, the frequency converter comprising a source of electromagnetic radiation having a second frequency and a non-linear optical element arranged in a beam path of the electromagnetic radiation having the first frequency and in a beam path of the electromagnetic radiation having the second frequency, wherein the non-linear optical element is set up so that it generates in the operation of the measuring device by a non-linear optical process electromagnetic radiation having a third frequency, so that the third frequency is greater than the first frequency, and a Str Having the third detector frequency detector for the electromagnetic radiation. In contrast, it is an object of the present invention to provide a measuring device with an improved signal-to-noise ratio. To this end, the invention proposes to further develop the aforementioned device such that the frequency converter is changeable between a first efficiency of the non-linear optical process and a second efficiency of the non-linear optical process, wherein the first efficiency is greater than the second efficiency, and wherein the measuring device comprises a controller, which in the operation of the measuring device changes the frequency converter between the first and the second efficiency such that when electromagnetic radiation having the first frequency with the first intensity falls into the non-linear optical element, the frequency converter has first efficiency, and when electromagnetic radiation having the first frequency of the second intensity falls within the non-linear optical element, the frequency converter has the second efficiency.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung mit einer Anregungseinrichtung, die so eingerichtet ist, dass sie in einem Betrieb der Messvorrichtung eine Probe derart anregt, dass die Probe intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Frequenz und zeitlich nacheinander mit einer ersten Intensität und einer zweiten Intensität abstrahlt, und einer Detektionseinrichtung für die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz, wobei die Detektionseinrichtung einen Frequenzkonverter mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung, die so eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Messvorrichtung elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Frequenz erzeugt und abstrahlt, und einem nicht-linear optischen Element, das in einem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz und in einem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz angeordnet ist, wobei das nicht-linear optische Element derart eingerichtet ist, dass es in dem Betrieb der Messvorrichtung durch einen nicht-linear optischen Prozess aus der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten und der zweiten Frequenz elektromagnetische Strahlung mit einer dritten Frequenz erzeugt, so dass die dritte Frequenz größer ist als die erste Frequenz, und einen in dem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der dritten Frequenz angeordneten Strahlungsdetektor für die elektromagnetische Strahlung mit der dritten Frequenz aufweist.The present invention relates to an optical measuring device with an excitation device, which is set up in such a way that it excites a sample in an operation of the measuring device such that the sample emits intensity-modulated electromagnetic radiation at a first frequency and at successive times with a first intensity and a second intensity and a first frequency electromagnetic radiation detection device, the detection device comprising a frequency converter having an electromagnetic radiation source adapted to generate and emit electromagnetic radiation at a second frequency in the operation of the measuring device, and not one linear optical element, which is arranged in a beam path of the electromagnetic radiation at the first frequency and in a beam path of the electromagnetic radiation at the second frequency, wherein the non-linear optical element is arranged such that in the operation of the measuring device by a non-linear optical process of the electromagnetic radiation having the first and the second frequency generates electromagnetic radiation having a third frequency, so that the third frequency is greater than the first frequency, and has a radiation detector for the electromagnetic radiation having the third frequency arranged in the beam path of the electromagnetic radiation at the third frequency.

Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein entsprechendes optisches Messverfahren.The present invention also relates to a corresponding optical measuring method.

Mit Hilfe von Infrarotspektroskopie, insbesondere im mittleren Infrarotbereich mit Wellenlängen von 3,0 μm bis 50 μm, lassen sich eine Vielzahl von Molekülgasen sehr empfindlich nachweisen. Ein Spezialfall ist dabei die „Stand-Off”-Gasdetektion, bei der ein Gas aus einer sicheren Entfernung erfasst werden kann. Eine typische Anwendung ist die Überwachung von Industrieanlagen, zum Beispiel in der chemischen Industrie, von Erdgasleitungen oder von Biogasanlagen.With the help of infrared spectroscopy, especially in the mid-infrared range with wavelengths of 3.0 microns to 50 microns, a variety of molecular gases can be detected very sensitive. A special case is "stand-off" gas detection, in which a gas can be detected from a safe distance. A typical application is the monitoring of industrial plants, for example in the chemical industry, natural gas pipelines or biogas plants.

Um derartige Messvorrichtungen zu realisieren, sind empfindliche und schnelle Detektoren in dem zu erfassenden Spektralbereich erforderlich. Halbleiterdetektoren stehen insbesondere in dem mittleren Infrarotbereich (Englisch: midwavelength infrared, MWIR) grundsätzlich zur Verfügung, jedoch müssen diese gekühlt werden, um die erforderlichen Empfindlichkeiten bzw. Signal-zu-Rausch-Verhältnisse zu erreichen. Große Detektionsbandbreiten sind mit den verfügbaren Detektoren nicht oder nur mit erheblichem Aufwand zu erzielen.In order to realize such measuring devices, sensitive and fast detectors are required in the spectral range to be detected. Semiconductor detectors are basically available in the mid-infrared range (MWIR), but they must be cooled to achieve the required sensitivity or signal-to-noise ratios. Large detection bandwidths can not be achieved with the available detectors or only with considerable effort.

Daher sind aus dem Stand der Technik Detektoren bekannt, welche mit Hilfe nicht-linearer optischer Effekte die eigentlich zu erfassende Strahlung im mittleren Infrarotbereich in einen Frequenzbereich transformieren, in welchem Strahlungsdetektoren, insbesondere Halbleiterdetektoren, mit großer zeitlicher Detektionsbandbreite und einer hohen Empfindlichkeit kommerziell erhältlich sind.Therefore, known from the prior art detectors which transform by means of non-linear optical effects, the actually to be detected radiation in the mid-infrared range in a frequency range in which radiation detectors, especially semiconductor detectors, with a large time detection bandwidth and high sensitivity are commercially available.

Ein wesentlicher Faktor, welcher die Empfindlichkeit, d. h. das erreichbare Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR), bei den Detektoren aus dem Stand der Technik systematisch begrenzt, ist das thermische Rauschen des nicht-linear optischen Kristalls, welcher zur Frequenzkonversion benutzt wird.An important factor which increases the sensitivity, i. H. the achievable signal-to-noise ratio (SNR), systematically limited in the prior art detectors, is the thermal noise of the non-linear optical crystal used for frequency conversion.

Die Patentschrift US 5,451,787 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Luftschadstoffen auf optischem Wege. Dabei dient ein akusto-optisches Filter als optischer Frequenzkonverter. Die Effizienz des Frequenzkonverters ist abhängig von der Frequenz der akustischen Welle, mit welcher der Frequenzkonverter beaufschlagt wird.The patent US 5,451,787 discloses an apparatus and method for measuring airborne pollutants by optical means. An acousto-optical filter serves as an optical frequency converter. The efficiency of the frequency converter is dependent on the frequency of the acoustic wave with which the frequency converter is applied.

Die Patentanmeldung US 2012/0307238 A1 offenbart ein Mikroskop mit einer erhöhten Auflösung, bei welcher ein nicht linear-optischer Sättigungseffekt in dem zu vermessenden Probenvolumen ausgenutzt wird.The patent application US 2012/0307238 A1 discloses a microscope with an increased resolution, in which a non-linear-optical saturation effect in the sample volume to be measured is utilized.

Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Messvorrichtung sowie ein optisches Messverfahren bereitzustellen, deren Detektionseinrichtung ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweist.In contrast, it is an object of the present invention to provide an optical measuring device and an optical measuring method whose detection device has an improved signal-to-noise ratio.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch optische Messvorrichtung gelöst mit einer Anregungseinrichtung, die so eingerichtet ist, dass sie in einem Betrieb der Messvorrichtung eine Probe derart anregt, dass die Probe intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Frequenz und zeitlich nacheinander mit einer ersten Intensität und einer zweiten Intensität abstrahlt, und einer Detektionseinrichtung für die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz, wobei die Detektionseinrichtung einen Frequenzkonverter mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung, die so eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Messvorrichtung elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Frequenz erzeugt und abstrahlt, und einem nicht-linear optischen Element, das in einem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz und in einem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz angeordnet ist, wobei das nicht-linear optische Element derart eingerichtet ist, dass es in dem Betrieb der Messvorrichtung durch einen nicht-linear optischen Prozess aus der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten und der zweiten Frequenz elektromagnetische Strahlung mit einer dritten Frequenz erzeugt, so dass die dritte Frequenz größer ist als die erste Frequenz, und einen in dem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der dritten Frequenz angeordneten Strahlungsdetektor für die elektromagnetische Strahlung mit der dritten Frequenz aufweist, wobei der Frequenzkonverter zwischen einer ersten Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses und einer zweiten Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses änderbar ist, wobei die erste Effizienz größer ist als die zweite Effizienz, und wobei die Messvorrichtung eine Steuerung aufweist, welche in dem Betrieb der Messvorrichtung den Frequenzkonverter derart zwischen der ersten und der zweiten Effizienz ändert, dass dann wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der ersten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der Frequenzkonverter die erste Effizienz aufweist und dann wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der zweiten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der Frequenzkonverter die zweite Effizienz aufweist.According to the invention, this object is achieved by an optical measuring device with an excitation device which is set up to excite a sample in an operation of the measuring device in such a way that the sample emits intensity-modulated electromagnetic radiation having a first frequency and consecutively having a first intensity and a second intensity and a detection device for the electromagnetic radiation having the first frequency, wherein the detection device is a frequency converter with a source of electromagnetic radiation, which is adapted to generate and emit electromagnetic radiation at a second frequency in the operation of the measuring device, and a non-linear optical element, which is arranged in a beam path of the electromagnetic radiation at the first frequency and in a beam path of the electromagnetic radiation at the second frequency, wherein the non-linear optis is arranged such that in the operation of the measuring device by a non-linear optical process of the electromagnetic radiation having the first and the second frequency generates electromagnetic radiation having a third frequency, so that the third frequency is greater than the first frequency, and having a radiation detector arranged in the beam path of the electromagnetic radiation at the third frequency for the electromagnetic radiation at the third frequency, wherein the frequency converter between a first Efficiency of the non-linear optical process and a second efficiency of the non-linear optical process is changeable, wherein the first efficiency is greater than the second efficiency, and wherein the measuring device comprises a controller, which in the operation of the measuring device, the frequency converter such between the First and second efficiency changes when electromagnetic radiation having the first frequency of the first intensity falls within the non-linear optical element, the frequency converter has the first efficiency, and when electromagnetic radiation with the first freq When the second intensity falls within the non-linear optical element, the frequency converter has the second efficiency.

Unter eine „Änderung” der Effizienz der Frequenzkonversion fällt sowohl ein Schalten zwischen der ersten und der zweiten Effizienz als auch eine, vorzugsweise kontinuierliche, Modulation der Effizienz zwischen einer ersten und einer zweiten Effizienz.A "change" in the efficiency of the frequency conversion involves switching between the first and second efficiencies as well as a, preferably continuous, modulation of the efficiency between a first and a second efficiency.

Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zu Grunde, dass ein wesentlicher Faktor, welcher das erreichbare Signal-zu-Rausch-Verhältnis von Detektoren aus dem Stand der Technik systematisch begrenzt, der thermische Hintergrund des nicht-linear optischen Kristalls zur Frequenzkonversion ist. Die in den Kristall fallende Wärmestrahlung und die Wärmestrahlung des in der Regel oberhalb von Raumtemperatur betriebenen nicht-linear optischen Kristalls wird neben dem Nutzsignal ebenfalls in den von dem Strahlungsdetektor erfassbaren Frequenzbereich konvertiert und bedingt somit einen Rauschhintergrund, welcher das erreichbar Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Detektionseinrichtung begrenzt.The present invention is based inter alia on the recognition that a significant factor that systematically limits the achievable signal-to-noise ratio of prior art detectors is the thermal background of the non-linear optical crystal for frequency conversion. The heat radiation falling into the crystal and the thermal radiation of the nonlinear optical crystal, which is generally operated above room temperature, are also converted into the frequency range detectable by the radiation detector in addition to the useful signal and thus cause a noise background which achieves the signal-to-noise attainable. Limited ratio of the detection device.

Selbst bei einer Modulation der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz, beispielsweise durch eine modulierte Beleuchtung, und einer Lock-in Detektion mit dem Strahlungsdetektor existiert weiterhin ein störender Signalhintergrund auf dem Strahlungsdetektor. Der eigentliche Strahlungsdetektor kann daher nicht mit optimaler Verstärkung betrieben werden. Durch Optimierung der Kristall-Geometrie und durch Verkleinerung der Apertur für die einfallende elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz lässt sich dieser Effekt zwar reduzieren, jedoch reduziert eine Verringerung der Apertur typischerweise auch die in den nicht-linear optischen Kristall einfallende Leistung und damit die Empfindlichkeit des Detektors.Even with a modulation of the electromagnetic radiation to be detected at the first frequency, for example by a modulated illumination, and a lock-in detection with the radiation detector, a disturbing signal background still exists on the radiation detector. The actual radiation detector can not therefore be operated with optimum gain. Although this effect can be reduced by optimizing the crystal geometry and reducing the aperture for the incident electromagnetic radiation at the first frequency, reduction of the aperture typically also reduces the power incident into the nonlinear optical crystal and thus the sensitivity of the laser detector.

Daher ist der Frequenzkonverter der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zwischen einer ersten Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses und einer zweiten Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses änderbar, wobei die erste Effizienz größer ist als die zweite Effizienz, und die Messvorrichtung weist eine Steuerung auf, welche in dem Betrieb der Messvorrichtung den Frequenzkonverter derart zwischen der ersten und der zweiten Effizienz ändert, dass dann wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der ersten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der Frequenzkonverter die erste Effizienz aufweist und dann wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der zweiten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der Frequenzkonverter die zweite Effizienz aufweist.Therefore, the frequency converter of the measuring device according to the invention is changeable between a first efficiency of the non-linear optical process and a second efficiency of the non-linear optical process, wherein the first efficiency is greater than the second efficiency, and the measuring device has a control, which in the operation of the measuring device changes the frequency converter between the first and the second efficiency such that when electromagnetic radiation of the first frequency with the first intensity falls in the non-linear optical element, the frequency converter has the first efficiency and then if electromagnetic radiation with the first frequency of the second intensity falls within the non-linear optical element, the frequency converter has the second efficiency.

Es versteht sich, dass es in einer Ausführungsform zweckmäßig ist, wenn die erste Intensität größer ist als die zweite Intensität der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz. Auf diese Weise generiert der Frequenzkonverter nur dann effizient elektromagnetische Strahlung mit der dritten Frequenz, wenn auch tatsächlich elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz von der Probe zu erwarten ist. Die übrige Zeit ist die Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses in dem nicht-linear optischen Element derart reduziert, dass auch keine Hintergrundstrahlung im Frequenzbereich der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz gewandelt und dann von dem Strahlungsdetektor erfasst wird.It is understood that it is expedient in one embodiment if the first intensity is greater than the second intensity of the electromagnetic radiation having the first frequency. In this way, the frequency converter only efficiently generates electromagnetic radiation at the third frequency, when in fact electromagnetic radiation at the first frequency is to be expected from the sample. The rest of the time is reduced in the efficiency of the non-linear optical process in the non-linear optical element such that no background radiation in the frequency range of the electromagnetic radiation with the first frequency is converted and then detected by the radiation detector.

Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei welchen entweder die erste Intensität größer ist als die zweite Intensität oder die erste Intensität gleich der zweiten Intensität ist. In diesen Ausführungsformen gibt die Steuerung andere Kriterien, beispielweise zeitliche Kriterien, für das Ändern der Effizienz der Frequenzkonversion vor.However, embodiments are also conceivable in which either the first intensity is greater than the second intensity or the first intensity is equal to the second intensity. In these embodiments, the controller specifies other criteria, such as temporal criteria, for changing the frequency conversion efficiency.

Geeignete nicht-linear optische Prozesse sind insbesondere Summenfrequenzbildung, so dass die dritte Frequenz gleich der Summe aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist, Differenzfrequenzbildung, so dass die dritte Frequenz gleich der Differenz aus der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist, und Vier-Wellen-Mischen.In particular, suitable non-linear optical processes are sum frequency formation such that the third frequency equals the sum of the first frequency and the second frequency, difference frequency formation such that the third frequency equals the difference between the first frequency and the second frequency, and four -wave mixing.

In einer Ausführungsform sieht die erfindungsgemäße Messvorrichtung zudem eine wirksame Verbindung zwischen der Anregungseinrichtung und dem Frequenzkonverter vor, so dass in dem Betrieb der Messvorrichtung dann wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der ersten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der Frequenzkonverter die erste Effizienz aufweist und dann wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der zweiten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der Frequenzkonverter die zweite Effizienz aufweist.In one embodiment, the measuring device according to the invention also provides an effective connection between the excitation device and the frequency converter, so that in the operation of the measuring device when electromagnetic radiation having the first frequency of the first intensity in the non-linear optical element falls, the frequency converter having the first efficiency and then when electromagnetic radiation having the first frequency with the second intensity falls into the non-linear optical element, the frequency converter has the second efficiency.

So lässt sich eine optimierte Synchronisierung der Intensitätsmodulation der Anregungseinrichtung und der Modulation der Konversionseffizienz des Frequenzkonverters erreichen.Thus, an optimized synchronization of the intensity modulation of the excitation device and the modulation of the conversion efficiency of the frequency converter can be achieved.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das nicht-linear optische Element ein nicht-linear optischer Kristall, vorzugsweise in einer Ausführungsform der Erfindung ein periodisch gepolter Lithiumniobat-Kristall (PPLN), ein periodisch gepolter Lithiumtantalat-Kristall, ein periodisch gepolter KaliumTitanylphosphat-Kristall (PPKTP), ein Lithiumtriborat-Kristall (LBO) oder ein orientation patterned Galliumnitrid-Kristall.In one embodiment of the invention, the nonlinear optical element is a nonlinear optical crystal, preferably in one embodiment of the invention, a periodically poled lithium niobate crystal (PPLN), a periodically poled lithium tantalate crystal, a periodically poled potassium titanyl phosphate crystal (PPKTP ), a lithium triborate crystal (LBO) or an orientation patterned gallium nitride crystal.

Die Steuerung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist entweder eine hierfür eigens konstruierte elektrische Einrichtung oder ein Rechner mit einer entsprechenden Software und den erforderlichen Schnittstellen.The control in the sense of the present invention is either an electrical device specially constructed for this purpose or a computer with appropriate software and the required interfaces.

Eine Anregungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede physikalische Einrichtung, die in der Lage ist, eine Probe derart anzuregen, dass diese intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz abstrahlt.An excitation device in the sense of the present invention is any physical device that is able to excite a sample in such a way that it emits intensity-modulated electromagnetic radiation at the first frequency.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anregungseinrichtung eine Quelle für elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise einen Laser oder eine Leuchtiode, die o eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Messvorrichtung elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz, erzeugt, wobei die Messvorrichtung ferner derart eingerichtet ist, dass in dem Betrieb der Messvorrichtung die elektromagnetische Strahlung der Quelle auf eine Probe geleitet wird, sodass die Probe die elektromagnetische Strahlung reflektiert, transmittiert, absorbiert oder streut oder durch diese zur Fluoreszenz angeregt wird. Dabei wird auch eine Reflexion oder Transmission als Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz durch die Probe im Sinne der vorliegenden Anmeldung verstanden.In one embodiment of the invention, the excitation device comprises a source of electromagnetic radiation, preferably a laser or a light emitting diode, which is adapted to generate electromagnetic radiation, preferably the first frequency electromagnetic radiation, in the operation of the measuring device, the measuring device is further arranged such that in the operation of the measuring device, the electromagnetic radiation of the source is passed to a sample, so that the sample reflects the electromagnetic radiation, transmits, absorbed or scattered or is excited by this to fluorescence. In this case, a reflection or transmission is understood as radiation of the electromagnetic radiation with the first frequency through the sample within the meaning of the present application.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Quelle für elektromagnetische Strahlung der Anregungseinrichtung bei irgendeiner Frequenz betrieben werden, solange diese eine Probe dazu anregt, elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz intensitätsmoduliert abzustrahlen. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung erzeugt die Quelle die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz, sodass diese unmittelbar auf die Probe geleitet wird.In one embodiment of the invention, the source of electromagnetic radiation from the exciter may be operated at any frequency as long as it excites a sample to emit intensity-modulated electromagnetic radiation at the first frequency. In a specific embodiment of the invention, the source generates the electromagnetic radiation at the first frequency so that it is passed directly to the sample.

Ein geeigneter Laser, welcher die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz generiert, ist beispielsweise ein Halbleiter, insbesondere ein Quantenkaskadenlaser oder ein Interband-Kaskadenlaser, so wie sie vorzugsweise zur Erzeugung von MIR-Strahlung bekannt sind.A suitable laser which generates the electromagnetic radiation at the first frequency is, for example, a semiconductor, in particular a quantum cascade laser or an interband cascade laser, as are preferably known for generating MIR radiation.

Allerdings sind auch andere Einrichtungen als Anregungseinrichtungen im Sinne der vorliegenden Anmeldung zu verstehen, insbesondere Ultraschalltransducer, Heizeinrichtungen, oder Aktuatoren, welche eine Kraft auf eine Probe ausüben können.However, other devices are to be understood as excitation devices within the meaning of the present application, in particular ultrasonic transducers, heaters, or actuators, which can exert a force on a sample.

Während das erfindungsgemäße Konzept für eine Vielzahl von ersten, zweiten und dritten Frequenzen geeignet ist, weist in einer Ausführungsform der Erfindung die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz eine Wellenlänge in einem Bereich von 1,5 μm bis 350 μm, vorzugsweise in einem Bereich von 2 μm bis 12 μm und besonders bevorzugt von 3 μm bis 6 μm auf. Dieser Spektralbereich wird auch als infraroter Spektralbereich bezeichnet.While the inventive concept is suitable for a multiplicity of first, second and third frequencies, in one embodiment of the invention the electromagnetic radiation having the first frequency has a wavelength in a range from 1.5 μm to 350 μm, preferably in a range from 2 μm to 12 μm and more preferably from 3 μm to 6 μm. This spectral range is also referred to as the infrared spectral range.

In diesem Frequenzbereich stehen vielfach keine geeigneten Strahlungsdetektoren zur Verfügung, für welche ohne eine aktive Kühlung die erforderlichen Signal-zu-Rausch-Verhältnisse erreicht werden. Zudem ist die zeitliche Detektionsbandbreite für Strahlungsdetektoren im mittleren Infrarot begrenzt, sodass sich schnelle Prozesse mit Strahlungsdetektoren in diesem Spektralbereich nicht erfassen lassen.In many cases no suitable radiation detectors are available in this frequency range, for which the required signal-to-noise ratios are achieved without active cooling. In addition, the time detection bandwidth for mid-infrared radiation detectors is limited, so that fast processes with radiation detectors in this spectral range can not be detected.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hingegen liegt elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz im sichtbaren Spektralbereich mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 380 nm bis etwa 780 nm.In a further embodiment of the invention, however, is electromagnetic radiation having the first frequency in the visible spectral range having a wavelength in a range of about 380 nm to about 780 nm.

Die Probe ist nicht Gegenstand des Schutzumfangs gemäß Anspruch 1, die Probe wird vielmehr während des Betriebs der Messvorrichtung derart positioniert, dass die Probe von der Anregungseinrichtung angeregt werden kann und die von der Probe emittierte elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit Hilfe der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung erfasst werden kann.The sample is not subject to the scope of protection according to claim 1, but rather the sample is positioned during operation of the measuring device such that the sample can be excited by the excitation means and detects the electromagnetic radiation emitted by the sample at the first frequency with the aid of the detection device according to the invention can be.

Unter intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung jede Art der Intensitätsmodulation verstanden, sodass der Begriff der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung sowohl elektromagnetische Impulse umfasst als auch andere Formen der Modulation, beispielsweise eine sinusförmige Intensitätsmodulation oder eine rechteckförmige Intensitätsmodulation, wie sie durch einfaches Ein- und Ausschalten der Anregungseinrichtung entsteht. Es versteht sich, dass insbesondere impulsförmige elektromagnetische Strahlung nicht nur eine einzige erste Frequenz aufweist, sondern eine Bandbreite um eine erste Frequenz herum.In the context of the present invention, intensity-modulated electromagnetic radiation is understood to mean any type of intensity modulation, so that the term intensity-modulated electromagnetic radiation encompasses both electromagnetic pulses and other forms of modulation, for example a sinusoidal intensity modulation or a rectangular one Intensity modulation, as it arises by simply switching on and off the excitation device. It is understood that in particular pulse-shaped electromagnetic radiation has not only a single first frequency but a bandwidth around a first frequency.

Betrachtet man eine Intensitätsmodulation, so bezeichnet die erste Intensität im Sinne des Sprachgebrauchs der vorliegenden Anmeldung die maximale Intensität und die zweite Intensität die minimale Intensität, insbesondere einen Zustand, in dem die Intensität gleich Null ist. Dies gilt beispielsweise für rechteckförmig modulierte Strahlung oder aber impulsförmige Strahlung. Bei der impulsförmigen Strahlung ist die zweite Intensität zwischen zwei Impulsen gleich ebenfalls Null.Considering an intensity modulation, the first intensity in the sense of the language usage of the present application denotes the maximum intensity and the second intensity the minimum intensity, in particular a state in which the intensity is zero. This applies, for example, to rectangularly modulated radiation or pulsed radiation. With pulsed radiation, the second intensity between two pulses is likewise equal to zero.

Die Detektionseinrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst zwei wesentliche Elemente, nämlich den Frequenzkonverter zum Wandeln der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz in die elektromagnetische Strahlung mit der dritten Frequenz und einen Strahlungsdetektor, welcher die elektromagnetische Strahlung mit der dritten Frequenz erfasst.The detection device in the sense of the present application comprises two essential elements, namely the frequency converter for converting the electromagnetic radiation having the first frequency into the electromagnetic radiation having the third frequency and a radiation detector which detects the electromagnetic radiation having the third frequency.

Dabei ist der Strahlungsdetektor für die elektromagnetische Strahlung mit der dritten Frequenz in einer Ausführungsform ein Halbleiterdetektor, vorzugsweise für einen Wellenlängenbereich von 0,78 μm bis weniger als 3 μm, d. h. im nahen Infrarot (Englisch: NIR). Insbesondere ist der Strahlungsdetektor ein Halbleiterdetektor auf Siliziumbasis. Derartige Siliziumdetektoren sind für Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung mit der dritten Frequenz von 1,1 μm oder weniger, insbesondere in einem Bereich von 0,19 μm bis 1,1 μm, geeignet.In this case, in one embodiment, the radiation detector for the electromagnetic radiation with the third frequency is a semiconductor detector, preferably for a wavelength range from 0.78 μm to less than 3 μm, d. H. in the near infrared (English: NIR). In particular, the radiation detector is a silicon-based semiconductor detector. Such silicon detectors are suitable for wavelengths of the electromagnetic radiation having the third frequency of 1.1 μm or less, in particular in a range of 0.19 μm to 1.1 μm.

Wird in einer Ausführungsform als nichtlinear optischer Effekt zur Frequenzkonversion eine Summenfrequenzbildung verwendet, ist zudem der verwendete Strahlungsdetektor ein Siliziumdetektor und liegt die erste Frequenz im MIR-Bereich von 2,5 μm bis 5 μm, so folgt daraus, dass die Quelle für die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz so eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,4 μm oder weniger, vorzugsweise in einem Bereich von 700 nm bis 1,4 μm erzeugt.If, in one embodiment, a sum frequency formation is used as a nonlinear optical effect for frequency conversion, the radiation detector used is also a silicon detector and if the first frequency in the MIR range is from 2.5 μm to 5 μm, it follows that the source for the electromagnetic radiation at the second frequency is adapted to generate in the operation of the device electromagnetic radiation having a wavelength of 1.4 microns or less, preferably in a range of 700 nm to 1.4 microns.

Um die notwendige Modulation der Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses in dem Frequenzkonverter zu erreichen, ist dieser erfindungsgemäß zwischen einer ersten Effizienz und einer zweiten Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses änderbar. Auf diese Weise kann der Frequenzkonverter insbesondere in seiner Effizienz reduziert werden in Zeitabschnitten, in denen keine elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz zu erwarten ist oder diese nur eine geringe, d. h. die zweite, Intensität aufweist. Auf diese Weise kann dann die das Signal-zu-Rausch-Verhältnis signifikant reduzierende Hintergrundstrahlung auf dem Strahlungsdetektor verringert werden. In einer Ausführungsform ist die zweite Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses gleich Null, d. h. die Konversion des Frequenzkonverters kann zumindest kurzzeitig ausgeschaltet werden.In order to achieve the necessary modulation of the efficiency of the non-linear optical process in the frequency converter, this is according to the invention changeable between a first efficiency and a second efficiency of the non-linear optical process. In this way, the frequency converter can be reduced in particular in its efficiency in periods in which no electromagnetic radiation with the first frequency is to be expected or this only a small, d. H. the second, intensity. In this way, the background radiation on the radiation detector, which significantly reduces the signal-to-noise ratio, can then be reduced. In one embodiment, the second efficiency of the non-linear optical process is zero, i. H. the conversion of the frequency converter can be switched off at least for a short time.

Wie dieses Ein- und Ausschalten des Frequenzkonverters oder eine Modulation der Effizienz des Frequenzkonverters erreicht werden kann, wird nachstehend im Text anhand von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.How this switching on and off of the frequency converter or a modulation of the efficiency of the frequency converter can be achieved will be described below in detail with reference to embodiments of the present invention.

Grundsätzlich sind dabei Ausführungsformen zu unterscheiden, welche die Intensität der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz zwischen zwei Intensitäten ändern, so dass sich die Konversionseffizienz des nicht-linearen-Elements des Frequenzkonverters ebenfalls ändert und solche, bei welchen die Konversionseffizienz durch andere Effekte geändert wird, beispielsweise durch ein Ändern der Kristalltemperatur oder durch Anlegen eines änderbaren elektrischen Feldes an das nicht-linear optische Element.Basically, embodiments are to be distinguished, which change the intensity of the electromagnetic radiation with the second frequency between two intensities, so that the conversion efficiency of the non-linear element of the frequency converter also changes and those in which the conversion efficiency is changed by other effects, for example, by changing the crystal temperature or by applying a variable electric field to the non-linear optical element.

Damit die Reduktion des Rauschhintergrundes durch das Ändern der Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses in dem Frequenzkonverter wirksam wird, müssen die Anregungseinrichtung und der Frequenzkonverter in einer Ausführungsform synchronisiert werden, sodass der Frequenzkonverter immer dann eine hohe Effizienz aufweist, wenn auch tatsächlich von der Anregungseinrichtung angeregte elektromagnetische Strahlung mit der ersten Intensität auf bzw. in den Frequenzkonverter einfällt.In order for the reduction of noise floor to be effective by changing the efficiency of the non-linear optical process in the frequency converter, in one embodiment the exciter and the frequency converter must be synchronized so that the frequency converter always has high efficiency, albeit actually from the exciter excited electromagnetic radiation of the first intensity is incident on or in the frequency converter.

Dazu sind in einer Ausführungsform die Anregungseinrichtung und der Frequenzkonverter wirksam miteinander verbunden, sodass die Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses des Frequenzkonverters solange hoch ist, wie tatsächlich elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz in den Frequenzkonverter einfällt, während die Effizienz des nicht-linear optischen Prozesses reduziert, vorzugsweise auf null gesetzt wird, während keine elektromagnetische Strahlung, die von der Anregungseinrichtung angeregt wurde, auf den Frequenzkonverter einfällt.For this purpose, in one embodiment, the exciter and the frequency converter are effectively interconnected so that the efficiency of the non-linear optical process of the frequency converter is high as long as electromagnetic radiation of the first frequency is incident on the frequency converter, while the efficiency of the non-linear optical Process is reduced, preferably set to zero, while no electromagnetic radiation, which was excited by the exciter, incident on the frequency converter.

Diese Synchronisierung erfordert es in einer Ausführungsform, dass die Messvorrichtung eine Einrichtung zum einstellbaren und änderbaren zeitlichen Verzögern oder zum Einführen einer einstellbaren und änderbaren Phasenverschiebung zwischen der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz und der Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz aufweist. Je nach Ausführungsform kann diese Einrichtung eine rein elektrische Einrichtung oder aber auch eine optische Einrichtung oder eine Kombination davon sein.This synchronization, in one embodiment, requires that the measuring device include means for adjustable and changeable time delay or for introducing an adjustable and changeable phase shift between the intensity modulation of the electromagnetic radiation at the first frequency and the intensity modulation of the electromagnetic Having radiation at the second frequency. Depending on the embodiment, this device may be a purely electrical device or else an optical device or a combination thereof.

Betrachtet man den einfachen Fall einer rechteckförmigen Modulation der Anregungseinrichtung, sodass auch die von der Probe abgestrahlte elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz im Wesentlichen eine rechteckförmige Modulation aufweist, so ist es sinnvoll, wenn auch die Modulation der Effizienz des Frequenzkonverters rechteckförmig moduliert ist, sodass die erste Effizienz eine maximale Effizienz ist und die zweite Effizienz gleich null ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird der Frequenzkonverter abwechselnd ein- und ausgeschaltet, wobei er immer nur dann eingeschaltet ist, wenn auch tatsächlich von der Probe abgestrahlte elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz auf bzw. in den nicht-linear optischen Kristall fällt.If one considers the simple case of a rectangular modulation of the excitation device, so that the electromagnetic radiation emitted by the sample has substantially rectangular modulation at the first frequency, then it makes sense if the modulation of the efficiency of the frequency converter is also modulated in a rectangular fashion, so that the first efficiency is maximum efficiency and the second efficiency is zero. In other words, the frequency converter is alternately turned on and off, being always turned on only when electromagnetic radiation of the first frequency actually radiated from the sample is incident on the non-linear optical crystal.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Quelle für die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz derart eingerichtet, dass sie in dem Betrieb der Messvorrichtung intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz mit einer ersten Intensität und einer zweiten Intensität erzeugt und abstrahlt, wobei die erste Intensität größer ist als die zweite Intensität und wobei die Anregungseinrichtung und die Quelle für die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz derart wirksam miteinander verbunden sind, dass in dem Betrieb der Messvorrichtung dann, wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der ersten Intensität in den nicht-linear optischen Kristall fällt, elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz mit der ersten Intensität in den nicht-linear optischen Kristall fällt, und dann, wenn elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der zweiten Intensität in den nicht-linear optischen Kristall fällt, elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz mit der zweiten Intensität in den nicht-linear optischen Kristall fällt.In one embodiment of the invention, the second frequency electromagnetic radiation source is adapted to generate and emit in the operation of the measuring device intensity modulated electromagnetic radiation at the second frequency having a first intensity and a second intensity, the first intensity being greater is as the second intensity and wherein the excitation means and the source of electromagnetic radiation at the second frequency are operatively connected to each other so that in the operation of the measuring apparatus when electromagnetic radiation at the first frequency of the first intensity in the non-linear optical crystal falls, electromagnetic radiation of the second frequency falls with the first intensity in the non-linear optical crystal, and then when electromagnetic radiation of the first frequency with the second intensity in the non-linear optical Kr If all falls, electromagnetic radiation with the second frequency at the second intensity falls into the non-linear optical crystal.

Mit anderen Worten ausgedrückt, gilt es, die Quelle für die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz ebenfalls einer Intensitätsmodulation zu unterziehen bzw. diese Quelle intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung abstrahlen zu lassen, wobei die Anregungseinrichtung und die Quelle für die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz synchronisiert sind, sodass die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz und die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz in etwa zeitgleich mit maximaler Intensität in den nichtlinear optischen Kristall einfallen.In other words, it is also necessary to subject the source for the electromagnetic radiation with the second frequency to an intensity modulation or to emit this source of intensity-modulated electromagnetic radiation, wherein the excitation device and the source for the electromagnetic radiation are synchronized with the second frequency such that the electromagnetic radiation of the first frequency and the electromagnetic radiation of the second frequency are incident on the non-linear optical crystal at about the same time as maximum intensity.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Quelle für die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz ein optisch gepumpter Festkörperlaser, wobei in dem Resonator des Festkörperlasers neben dem Laserkristall zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz auch der nicht-linear optische Kristall als Frequenzkonverter angeordnet ist.In one embodiment of the invention, the source for the electromagnetic radiation having the second frequency is an optically pumped solid-state laser, wherein in the resonator of the solid-state laser in addition to the laser crystal for generating the electromagnetic radiation having the second frequency of the non-linear optical crystal is arranged as a frequency converter ,

In dieser Konfiguration ergeben sich zwei grundlegende Ansätze, wie sich die elektromagnetische mit der zweiten Frequenz intensitätsmodulieren lässt.In this configuration, there are two basic approaches to how to intensity-modulate the electromagnetic with the second frequency.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Festkörperlaser optisch mit Hilfe eines Pumplasers gepumpt. Dabei ist der Pumplaser so eingerichtet, dass er in dem Betrieb der Messvorrichtung eine intensitätsmodulierte elektromagnetische Pumpstrahlung mit einer ersten Intensität und einer zweiten Intensität erzeugt, wobei die zweite Intensität geringer ist als die erste Intensität. Eine solche Intensitätsmodulation des Pumplasers bzw. der von dem Pumplaser emittierten Pumpstrahlung lässt sich wiederum auf verschiedene Weisen erzielen. Ist der Pumplaser beispielsweise ein elektrisch getriebener Halbleiterlaser, so kann in einer Ausführungsform der Erfindung der Treiberstrom des Pumplasers moduliert werden, sodass dann auch die generierte Pumpstrahlung intensitätsmoduliert ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Pumpstrahlung nach der Emission aus dem Pumplaser beispielweise mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators intensitätsmoduliert werden. Auch ist es möglich, den Pumplaser mit einem gütegeschalteten Resonator zu versehen, um eine Intensitätsmodulation der Pumpstrahlung zu bewirken.In one embodiment of the invention, the solid-state laser is optically pumped by means of a pump laser. In this case, the pump laser is set up so that it generates an intensity-modulated electromagnetic pump radiation with a first intensity and a second intensity in the operation of the measuring device, wherein the second intensity is less than the first intensity. Such an intensity modulation of the pump laser or of the pump radiation emitted by the pump laser can in turn be achieved in various ways. If the pump laser is, for example, an electrically driven semiconductor laser, then in one embodiment of the invention the drive current of the pump laser can be modulated, so that then the generated pump radiation is also intensity-modulated. In an alternative embodiment, the pump radiation after emission from the pump laser can be intensity-modulated, for example with the aid of an electro-optical modulator. It is also possible to provide the pump laser with a Q-switched resonator in order to effect an intensity modulation of the pump radiation.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Resonator des Festkörperlasers gütegeschaltet, sodass die in dem Resonator oszillierende elektromagnetische Strahlung impulsförmig ausgebildet ist. Eine solche Güteschaltung kann beispielsweise mit Hilfe eines aktiven Güteschalters (Englisch Q-Switch) bewirkt werden. Ein solcher aktiver Güteschalter lässt sich in der Regel durch ein elektrisches Steuersignal steuern und damit auf die Intensitätsmodulation der ersten elektromagnetischen Strahlung synchronisieren.In an alternative embodiment of the invention, the resonator of the solid-state laser is Q-switched so that the electromagnetic radiation oscillating in the resonator is pulse-shaped. Such a Q-switching can be effected, for example, by means of an active Q-switch. Such an active Q-switch can usually be controlled by an electrical control signal and thus synchronized to the intensity modulation of the first electromagnetic radiation.

Bei einem passiv gütegeschalteten Resonator des Festkörperlasers, beispielsweise mit Hilfe eines sättigbaren Absorbers, ist es demgegenüber in einer Ausführungsform erforderlich, die Impulswiederholrate des Festkörperlasers zu erfassen und die Anregungseinrichtung auf das erfasste Signal zu synchronisieren.In a passively Q-switched resonator of the solid-state laser, for example with the aid of a saturable absorber, in one embodiment it is necessary to detect the pulse repetition rate of the solid-state laser and to synchronize the excitation device to the detected signal.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anregungseinrichtung derart eingerichtet, dass sie in dem Betrieb der Messvorrichtung die Abstrahlung impulsförmiger elektromagnetischer Strahlung mit der ersten Frequenz von der Probe bewirkt, und die Quelle für die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz ist derart eingerichtet, dass sie in dem Betrieb der Messvorrichtung impulsförmige elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz erzeugt. Derartige impulsförmige betriebene Einrichtungen lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand aufeinander synchronisieren.In one embodiment of the invention, the excitation device is set up in such a way that in the operation of the measuring device it emits the emission of pulsed electromagnetic radiation at the first frequency from the sample, and the second frequency electromagnetic radiation source is arranged to generate pulsed electromagnetic radiation at the second frequency in the operation of the measuring device. Such pulse-shaped operated devices can be synchronized with each other with comparatively little effort.

Während die bisher betrachteten Ausführungsformen in der Regel eine elektrische Verbindung zwischen der Anregungseinrichtung und dem Frequenzkonverter zu deren Synchronisierung verlangen, ermöglicht es die nächste Ausführungsform, diese Synchronisierung rein optisch zu bewirken.While the embodiments considered so far usually require an electrical connection between the excitation device and the frequency converter for their synchronization, the next embodiment makes it possible to effect this synchronization purely optically.

Dazu weist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Messvorrichtung weiterhin einen Pumplaser, vorzugsweise einen diodengepumpten und gütegeschalteten Festkörperlaser, auf, der in dem Betrieb der Messvorrichtung eine intensitätsmodulierte, vorzugsweise impulsförmige, elektromagnetische Pumpstrahlung mit einer Pumpfrequenz erzeugt, und einen optisch parametrischen Oszillator, wobei die Messvorrichtung so ausgestaltet ist, dass in dem Betrieb der Messvorrichtung ein erster Teil der Pumpstrahlung als elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz auf den nicht-linear optischen Kristall geleitet wird und ein zweiter Teil der Pumpstrahlung zum Betreiben des optisch parametrischen Oszillators verwendet wird, sodass der optisch parametrische Oszillator die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz erzeugt. Mit anderen Worten ausgedrückt, dient ein einziger Pumplaser dazu, sowohl die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz für den nicht-linear optischen Prozess zu erzeugen als auch eine Pumpstrahlung für den optisch parametrischen Oszillator zum Generieren der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz, welche dann auf die Probe geleitet wird.For this purpose, in one embodiment of the present invention, the measuring device further comprises a pump laser, preferably a diode-pumped and Q-switched solid-state laser, which generates in the operation of the measuring device an intensity-modulated, preferably pulse-shaped, electromagnetic pump radiation having a pump frequency, and an optically parametric oscillator, wherein the Measuring device is designed so that in the operation of the measuring device, a first part of the pump radiation is passed as electromagnetic radiation at the second frequency on the non-linear optical crystal and a second part of the pump radiation is used to operate the optical parametric oscillator, so that the optical parametric oscillator that generates electromagnetic radiation at the second frequency. In other words, a single pump laser serves to generate both the second frequency electromagnetic radiation for the non-linear optical process and pumping the optical parametric oscillator to generate the first frequency electromagnetic radiation which then propagates the sample is passed.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich zu einer Synchronisation zwischen der Anregungseinrichtung und dem Frequenzkonverter auch eine Synchronisation zwischen der Anregungseinrichtung und/oder dem Frequenzkonverter und dem Strahlungsdetektor vorgesehen.In one embodiment of the invention, in addition to a synchronization between the excitation device and the frequency converter, a synchronization between the excitation device and / or the frequency converter and the radiation detector is provided.

Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Messvorrichtung derart ausgestaltet, dass eine Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors zwischen einer ersten Empfindlichkeit und einer zweiten Empfindlichkeit änderbar ist, wobei die erste Empfindlichkeit größer ist als die zweite Empfindlichkeit, und dass die Anregungseinrichtung und/oder der Frequenzkonverter und der Strahlungsdetektor derart wirksam miteinander verbunden sind, dass in dem Betrieb der Messvorrichtung dann, wenn elektromagnetische Strahlung mit der dritten Frequenz mit einer ersten Intensität auf den Strahlungsdetektor fällt, der Strahlungsdetektor die erste Empfindlichkeit aufweist, und dann, wenn elektromagnetische Strahlung mit der dritten Frequenz mit einer zweiten Intensität auf den Strahlungsdetektor fällt, der Strahlungsdetektor die zweite Empfindlichkeit aufweist, wobei die erste Intensität größer als die zweite Intensität ist.For this purpose, in one embodiment of the invention, the measuring device is designed such that a sensitivity of the radiation detector between a first sensitivity and a second sensitivity is changeable, wherein the first sensitivity is greater than the second sensitivity, and that the excitation device and / or the frequency converter and the Radiation detector are so effectively interconnected that in the operation of the measuring device when electromagnetic radiation at the third frequency falls with a first intensity on the radiation detector, the radiation detector having the first sensitivity, and when electromagnetic radiation at the third frequency with a second intensity falls on the radiation detector, the radiation detector has the second sensitivity, wherein the first intensity is greater than the second intensity.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors zwischen einer ersten Empfindlichkeit und einer zweiten Empfindlichkeit modulierbar, wobei die erste Empfindlichkeit größer ist als die zweite Empfindlichkeit, und die Anregungseinrichtung, der Frequenzkonverter und der Strahlungsdetektor sind wirksam mit der Steuerung verbunden, wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass in dem Betrieb der Messvorrichtung die Intensität der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz mit einer ersten Modulationsfrequenz zwischen der ersten Intensität und der zweiten Intensität moduliert wird, die Effizienz des Frequenzkonverters mit einer zweiten Modulationsfrequenz zwischen der ersten Effizienz und der zweiten Effizienz moduliert wird und die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors mit einer dritten Modulationsfrequenz zwischen der ersten Empfindlichkeit und der zweiten Empfindlichkeit moduliert wird, wobei die dritte Modulationsfrequenz gleich der Summe aus der ersten Modulationsfrequenz und der zweiten Modulationsfrequenz ist.In a further embodiment, the sensitivity of the radiation detector is modulatable between a first sensitivity and a second sensitivity, wherein the first sensitivity is greater than the second sensitivity, and the exciter, the frequency converter and the radiation detector are operatively connected to the controller, the controller being such in that, in the operation of the measuring device, the intensity of the electromagnetic radiation of the first frequency is modulated with a first modulation frequency between the first intensity and the second intensity, modulating the efficiency of the frequency converter with a second modulation frequency between the first efficiency and the second efficiency and the sensitivity of the radiation detector is modulated with a third modulation frequency between the first sensitivity and the second sensitivity, wherein the third modulation frequency equals de r is the sum of the first modulation frequency and the second modulation frequency.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Messvorrichtung zur Fernerfassung von Gas, beispielsweise für eine fliegende Plattform zum Überwachen von Erdgasleitungen, verwendet.In one embodiment of the invention, the measuring device is used for remote sensing of gas, for example for a flying platform for monitoring natural gas pipelines.

In einer Ausführungsform ist die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung ein Spektrometer.In one embodiment, the optical measuring device according to the invention is a spectrometer.

In einer weiteren Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Messvorrichtung zum Messen schnellveränderlicher Gaskonzentrationen, zum Beispiel bei Verbrennungsvorgängen, verwendet. Weitere Anwendungen, welche eine schnelle Messung erfordern und für die Ausführungsformen der vorliegenden Messvorrichtung geeignet sind, sind Prozesse, bei denen eine schnelle Gasfreisetzung erfolgt, zum Beispiel bei Gasgeneratoren für Airbags oder Belastungstests (Crash-Tests) von Lithium-Ionen-Akkus, Gasbehältern und ähnlichem.In a further embodiment, the measuring device according to the invention is used for measuring rapidly variable gas concentrations, for example during combustion processes. Other applications which require rapid measurement and which are suitable for the embodiments of the present measuring device are processes in which rapid gas release takes place, for example in airbag inflators or crash tests of lithium-ion batteries, gas containers and like.

Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer Ausführungsform zum Messen sich sehr schnell ändernder Temperaturen, beispielsweise bei der Lock-in-Thermografie oder der Wärmepulsthermografie.In addition, in one embodiment, the measuring device according to the invention is suitable for measuring very rapidly changing temperatures, for example in lock-in thermography or heat-pulse thermography.

Auch ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer Ausführungsform geeignet, Infrarotuntersuchungen mit hoher thermischer Hintergrundstrahlung auszuführen, so wie sie bei hohen Prozesstemperaturen, beispielsweise in einem Stahl- oder Zementwerk bei der Kunststoffverarbeitung (Extrusion oder Spritzgießen), auftreten.Also, the measuring device according to the invention is suitable in one embodiment, infrared investigations with high thermal Background radiation as they occur at high process temperatures, for example in a steel or cement plant in plastics processing (extrusion or injection molding) occur.

Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein optisches Messverfahren gelöst mit den Schritten: Anregen einer Probe, so dass die Probe intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Frequenz und zeitlich nacheinander mit einer ersten Intensität und einer zweiten Intensität abstrahlt, wobei der erste Intensität größer ist als die zweite Intensität, und Erfassen die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz, wobei das Erfassen die folgenden Schritte umfasst Erzeugen und Abstrahlen elektromagnetischer Strahlung mit einer zweiten Frequenz, Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer dritten Frequenz durch einen nicht-linear optischen Prozess in einem nicht-linear optischen Element aus der elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Frequenz und der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz, so dass die dritte Frequenz gleich der Summe aus der ersten und der zweiten Frequenz ist, und Erfassen der elektromagnetischen Strahlung mit der dritten Frequenz mit einem Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist: Ändern der Effizienz des nichtlinear optischen Prozesses zwischen einer ersten Effizienz und einer zweiten Effizienz, wobei die erste Effizienz größer ist als die zweite Effizienz, so dass dann, wenn die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der ersten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der nicht-linear optische Prozess mit der ersten Effizienz erfolgt, und dann, wenn die elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz mit der zweiten Intensität in das nicht-linear optische Element fällt, der nicht-linear optische Prozess mit der zweiten Effizienz erfolgt.The above object is also achieved by an optical measurement method comprising the steps of: exciting a sample so that the sample emits intensity-modulated electromagnetic radiation at a first frequency and sequentially at a first intensity and a second intensity, wherein the first intensity is greater than the second intensity, and detecting the electromagnetic radiation at the first frequency, wherein the detecting comprises the steps of generating and emitting electromagnetic radiation having a second frequency, generating electromagnetic radiation having a third frequency by a non-linear optical process in a non-linear manner optical element of the electromagnetic radiation having the first frequency and the electromagnetic radiation having the second frequency, so that the third frequency is equal to the sum of the first and the second frequency, and detecting the electromagnetic radiation with de r third frequency with a radiation detector, characterized in that the method further comprises the steps of: changing the efficiency of the non-linear optical process between a first efficiency and a second efficiency, wherein the first efficiency is greater than the second efficiency, so that when the electromagnetic radiation having the first frequency of the first intensity falls into the non-linear optical element, the non-linear optical process of the first efficiency occurs, and then the electromagnetic radiation having the first frequency of the second intensity does not linear optical element falls, the non-linear optical process with the second efficiency occurs.

Soweit Aspekte der Erfindung zuvor im Hinblick auf die Messvorrichtung beschrieben wurden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zur Spektroskopie an einer Probe. Soweit das Verfahren mit einer Messvorrichtung gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist dieses die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere aber sind Ausführungsformen der Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens geeignet.As far as aspects of the invention have been described above with respect to the measuring device, they also apply to the corresponding method for spectroscopy on a sample. As far as the method is carried out with a measuring device according to this invention, this has the corresponding facilities for this purpose. In particular, however, embodiments of the device are suitable for carrying out the method.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen davon sowie der dazugehörigen Figuren deutlich.Further advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of embodiments thereof and the accompanying figures.

1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. 1 shows a schematic block diagram of a first embodiment of the measuring device according to the invention.

2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. 2 shows a schematic block diagram of a second embodiment of the measuring device according to the invention.

3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. 3 shows a schematic block diagram of another embodiment of the measuring device according to the invention.

4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. 4 shows a schematic block diagram of another embodiment of the measuring device according to the invention.

5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. 5 shows a schematic block diagram of another embodiment of the measuring device according to the invention.

6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. 6 shows a schematic block diagram of yet another embodiment of the measuring device according to the invention.

7 zeigt eine detaillierte Darstellung der Messvorrichtung aus 5. 7 shows a detailed representation of the measuring device 5 ,

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.In the figures, like elements are designated by like reference numerals.

Die 1 bis 6 zeigen jeweils mögliche Konfigurationen eine Messvorrichtung in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in schematischer Form. Die 7 dient der Erläuterung des Schemas aus 5.The 1 to 6 In each case, possible configurations show a measuring device in embodiments of the present invention in schematic form. The 7 serves to explain the schema 5 ,

Herzstück aller Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist ein Frequenzkonverter, welcher in den Figuren mit 2a bzw. 2b bezeichnet ist. Dieser Frequenzkonverterwandelt in den gezeigten Ausführungsformen die von einer Probe 1 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 6 mit der ersten Frequenz im mittleren infraroten Spektralbereich, d. h. mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 3 μm bis 50 μm, in elektromagnetische Strahlung 7 mit der dritten Frequenz im nahinfraroten Spektralbereich, d. h. mit einer Wellenlänge von 0,19 μm bis 1,1 μm.The heart of all embodiments of the measuring device according to the invention is a frequency converter, which in the figures with 2a respectively. 2 B is designated. This frequency converter, in the embodiments shown, converts that from a sample 1 radiated electromagnetic radiation 6 with the first frequency in the mid-infrared spectral range, ie with a wavelength in a range of 3 microns to 50 microns, in electromagnetic radiation 7 with the third frequency in the near-infrared spectral range, ie with a wavelength of 0.19 μm to 1.1 μm.

Die konvertierte elektromagnetische Strahlung 7 mit der dritten Frequenz lässt sich mit Hilfe eines NIR-Halbleiterdetektors 4 auf Siliziumbasis einfach erfassen. Dabei ist es für die vorliegende Erfindung unerheblich, ob der Detektor 4 ein 1-Pixel-Detektor ist, eine Zeilenkamera oder eine Kamera mit einer Matrixanordnung von Pixeln, die in der Lage ist, ganze Bilder zu erfassen.The converted electromagnetic radiation 7 with the third frequency can be with the help of an NIR semiconductor detector 4 easy to detect on silicon basis. It is irrelevant for the present invention, whether the detector 4 is a 1-pixel detector, a line camera or a camera with a matrix array of pixels capable of capturing entire images.

Um die Konversion in dem Frequenzkonverter 2a, 2b zu bewirken, weist dieser einen nicht-linear optischen Kristall auf, in den gezeigten Ausführungsformen einen periodisch gepolten Lithiumniobat(PPLN)-Kristall. Dieser nicht-linear optische Kristall für den nicht-linear optischen Prozess dient der Summenfrequenzbildung zwischen der MIR-Strahlung 6 und elektromagnetischer Strahlung mit der zweiten Frequenz, die ebenfalls den nicht-linear optischen Kristall des Frequenzkonverters 2a durchläuft. Der nicht-linear optische Kristall des Frequenzkonverters 2a erzeugt die Summenfrequenz aus der MIR-Strahlung 6 und der Pumpstrahlung 5 mit der zweiten Frequenz. Für die dargestellten Ausführungsformen wird angenommen, dass die dritte Frequenz der Pumpstrahlung eine Wellenlänge von 1064 nm aufweist. Damit liegt in Abhängigkeit von der Frequenz bzw. Wellenlänge der MIR-Strahlung 6 die Wellenlänge der NIR-Strahlung 7 nach der Konversion in einem Bereich von 770 bis 870 nm.To the conversion in the frequency converter 2a . 2 B this has a non-linear optical crystal, in the embodiments shown a periodically poled lithium niobate (PPLN) crystal. This non-linear optical crystal is used for the non-linear optical process Sum frequency formation between the MIR radiation 6 and electromagnetic radiation at the second frequency, which is also the non-linear optical crystal of the frequency converter 2a passes. The non-linear optical crystal of the frequency converter 2a generates the sum frequency from the MIR radiation 6 and the pump radiation 5 with the second frequency. For the illustrated embodiments, it is assumed that the third frequency of the pump radiation has a wavelength of 1064 nm. This is dependent on the frequency or wavelength of the MIR radiation 6 the wavelength of the NIR radiation 7 after conversion in a range of 770 to 870 nm.

Für die Betrachtung der schematischen Darstellung aus 1 kann zunächst dahingestellt bleiben, wie die Pumpstrahlung für den nicht-linear optischen Kristall des Frequenzkonverters 2a generiert wird. Für das Verständnis der Erfindung ist zunächst entscheidend, dass es grundlegend für die vorliegende Erfindung ist, dass die Effizienz der Frequenzkonversion in dem Frequenzkonverter 2a zwischen einer ersten Effizienz und einer zweiten Effizienz, wobei die erste Effizienz größer ist als die zweite Effizienz, moduliert wird. Dies geschieht mit Hilfe einer Steuerung 3, welche über ein Modulationssignal 5 die Effizienz des Frequenzkonverters moduliert. Da erfindungsgemäß auch die MIR-Strahlung 6 intensitäts- bzw. amplitudenmoduliert ist, gilt es nun, mit Hilfe der Steuerung 3 die Modulation der Effizienz des Frequenzkonverters 2a so einzustellen, dass immer dann, wenn die Intensität der MIR-Strahlung 6 in dem Frequenzkonverter 2a maximal ist, auch die Effizienz des Frequenzkonverters 2a ihren höheren Wert aufweist. Durch Reduzieren der Effizienz des Frequenzkonverters 2a in denjenigen Zeitintervallen, in denen die Intensität des MIR-Signals 6 klein ist, und in dieser Zeit keine NIR-Strahlung generiert, sodass auch der Rauschhintergrund, welcher aufgrund von thermischer Umgebungsstrahlung, die neben der MIR-Strahlung 6 von der Probe 1 immer auch im Frequenzkonverter 2a einfällt, reduziert wird.For the consideration of the schematic representation 1 can initially be left undecided, such as the pump radiation for the non-linear optical crystal of the frequency converter 2a is generated. For the understanding of the invention, it is first of all decisive that it is fundamental for the present invention that the efficiency of the frequency conversion in the frequency converter 2a between a first efficiency and a second efficiency, wherein the first efficiency is greater than the second efficiency, is modulated. This is done with the help of a controller 3 , which have a modulation signal 5 modulates the efficiency of the frequency converter. As according to the invention, the MIR radiation 6 intensity or amplitude modulated, it is now, with the help of the controller 3 the modulation of the efficiency of the frequency converter 2a adjust so that whenever the intensity of the MIR radiation 6 in the frequency converter 2a maximum, also the efficiency of the frequency converter 2a has its higher value. By reducing the efficiency of the frequency converter 2a in those time intervals, in which the intensity of the MIR signal 6 is small, and in this time no NIR radiation generated, so that the noise background, which due to thermal ambient radiation, in addition to the MIR radiation 6 from the sample 1 always in the frequency converter 2a comes in, is reduced.

Geht man beispielsweise davon aus, dass die Probe 1 rechteckförmig modulierte MIR-Strahlung 6 mit einer definierte Wiederholrate abstrahlt, wobei die Intensität zwischen Null und einem Maximalwert wechselt, so bietet es sich an, auch die Effizienz des Frequenzkonverters 2a rechteckförmig zu modulieren, sodass die Effizienz des Konverters 2a hoch ist, wenn MIR-Strahlung mit ihrem Intensitätsmaximum in den Konverter 2a einfällt und die Effizienz der Frequenzkonversion null ist, wenn die MIR-Strahlung 6 ihr Minimum hat, d. h. deren Intensität null ist.For example, assume that the sample 1 rectangularly modulated MIR radiation 6 emits at a defined repetition rate, the intensity changes between zero and a maximum value, so it makes sense, also the efficiency of the frequency converter 2a Rectangular shape, so the efficiency of the converter 2a high is when MIR radiation with its maximum intensity in the converter 2a and the frequency conversion efficiency is zero when the MIR radiation 6 its minimum, ie its intensity is zero.

Dabei kann zunächst für die Ausführungsform aus 1 davon ausgegangen werden, dass keine aktive Kopplung oder Synchronisation zwischen der von der Probe 1 abgestrahlten MIR-Strahlung 6 und der Modulation 5 des Frequenzkonverters 2a vorliegt. Vielmehr kann die Erfindung auch ohne eine solche Kopplung realisiert werden, solange die Wiederholrate der Modulation der MIR-Strahlung 6 der Steuerung 3 bekannt ist. Durch Variieren der Phasenlage zwischen Modulationssignal 5 und der Modulation der MIR-Strahlung 6 kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der NIR-Strahlung 7 auf dem Strahlungsdetektor 4 maximiert werden.It may initially for the embodiment of 1 Assume that there is no active coupling or synchronization between that of the sample 1 radiated MIR radiation 6 and the modulation 5 of the frequency converter 2a is present. Rather, the invention can be realized without such a coupling, as long as the repetition rate of the modulation of the MIR radiation 6 the controller 3 is known. By varying the phase angle between the modulation signal 5 and the modulation of the MIR radiation 6 may be the signal-to-noise ratio of the NIR radiation 7 on the radiation detector 4 be maximized.

2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Modulation 5b der Konversionseffizienz des Frequenzkonverters 2a und die Modulation 5a der MIR-Strahlung 6 aktiv aufeinander synchronisiert sind. In der Ausführungsform aus 2 wird die Probe 1 aktiv mit Hilfe eines MIR-Beleuchtungslasers, hier eines Quantenkaskadenlasers mit einer Wellenlänge von 4,53 μm, beleuchtet. Dabei ist der Quantenkaskadenlaser 8 moduliert, wobei die Modulation des Quantenkaskadenlasers 8 von dem Modulationssignal 5a vorgegeben wird. Die von dem Laser 8 emittierte Strahlung 9 beleuchtet das Objekt 1 und die von dem Objekt 1 reflektierte MIR-Strahlung 6 fällt wie zuvor in den Frequenzkonverter 2a ein. 2 shows an embodiment in which the modulation 5b the conversion efficiency of the frequency converter 2a and the modulation 5a the MIR radiation 6 are actively synchronized with each other. In the embodiment of 2 will be the sample 1 actively illuminated using a MIR illumination laser, here a quantum cascade laser with a wavelength of 4.53 microns. Here is the quantum cascade laser 8th modulated, where the modulation of the quantum cascade laser 8th from the modulation signal 5a is given. The one from the laser 8th emitted radiation 9 Illuminates the object 1 and that of the object 1 reflected MIR radiation 6 Falls as before in the frequency converter 2a one.

Der MIR-Beleuchtungslaser 8 wird mit Hilfe der Steuerung durch schnelle Strompulse des Modulationssignals 5a so moduliert, dass er impulsförmige Strahlung mit einer Impulsdauer im Nanosekundenbereich und einer Wiederholrate im Kilohertzbereich abstrahlt.The MIR illumination laser 8th is controlled by means of rapid current pulses of the modulation signal 5a is modulated to emit pulsed radiation with a pulse duration in the nanosecond range and a repetition rate in the kilohertz range.

Der Quantenkaskadenlaser 8 dient damit zur Anregung der Probe 1 und deren spektrales Antwortverhalten spiegelt sich in der von der Probe abgestrahlten MIR-Strahlung 6 wieder.The quantum cascade laser 8th thus serves to excite the sample 1 and their spectral response is reflected in the MIR radiation emitted by the sample 6 again.

3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, die im Wesentlichen der Ausführungsform aus 2 entspricht. Jedoch ist zusätzlich zu einer Modulation der Konversionseffizienz des Frequenzkonverters 2a noch eine Modulation der Sensitivität oder Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors 4 vorgesehen. Die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors 4 wird mit dem Modulationssignal 5c moduliert, sodass diese Modulation der Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors 4 ebenfalls synchron zur Modulation des MIR-Strahlungssignals 6 sowie der Modulation der Konversionseffizienz des Frequenzkonverters 2a ist. Auf diese Weise lässt sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Strahlungsdetektors 4 weiterhin erhöhen. 3 shows an embodiment of the measuring device according to the invention, which essentially the embodiment 2 equivalent. However, in addition to a modulation, the conversion efficiency of the frequency converter is 2a nor a modulation of the sensitivity or sensitivity of the radiation detector 4 intended. The sensitivity of the radiation detector 4 is with the modulation signal 5c This modulates the sensitivity of the radiation detector 4 also synchronous to the modulation of the MIR radiation signal 6 as well as the modulation of the conversion efficiency of the frequency converter 2a is. In this way, the signal-to-noise ratio of the radiation detector can be 4 continue to increase.

4 zeigt eine Realisierung des erfindungsgemäßen Konzepts, bei dem die Synchronisierung zwischen der Modulation der Konversionseffizienz des Frequenzkonverters 2a und der Modulation der MIR-Strahlung 6 rein optisch erfolgt. Ein gütegeschalteter diodengepumpter Festkörperlaser 11 erzeugt Pumpstrahlung 12 mit einer Pumpfrequenz im NIR-Spektralbereich. Dieser Pumplaser 11 wird von der Steuerung 3 über ein Modulationssignal 5a synchronisiert. Ein Strahlteiler 13 sorgt dafür, dass ein erster Teil der Pumpstrahlung des Lasers 11 in den Frequenzkonverter 2a geleitet wird, während ein zweiter Teil der Pumpstrahlung 12 in einen optisch parametrischen Oszillator 10 geleitet wird, welcher mit Hilfe eines nicht-linear optischen Prozesses die MIR-Beleuchtung 9 der Probe 1 und somit die von der Probe abgestrahlte MIR-Strahlung 6 generiert. 4 shows an implementation of the inventive concept, in which the synchronization between the modulation of the conversion efficiency of the frequency converter 2a and the modulation of the MIR radiation 6 purely optically. A Q-switched diode-pumped solid-state laser 11 generates pump radiation 12 with a pumping frequency in the NIR Spectral range. This pump laser 11 is from the controller 3 via a modulation signal 5a synchronized. A beam splitter 13 ensures that a first part of the pump radiation of the laser 11 in the frequency converter 2a while a second part of the pump radiation 12 in an optical parametric oscillator 10 which uses a non-linear optical process to direct the MIR illumination 9 the sample 1 and thus the MIR radiation emitted by the sample 6 generated.

Der erste Teil 12 der Pumpstrahlung wird über eine einstellbare Verzögerungsstrecke 14 zum Pumpen des nicht-linear optischen Kristalls in dem Frequenzkonverter 2a verwendet. Über die Verzögerungsstrecke 14 lässt sich eine Synchronisation der Modulation der Konversionseffizienz des Frequenzkonverters 2a und der Modulation des MIR-Strahlungssignals 6 erreichen, wobei die Verzögerungsstrecke 14 mit Hilfe der Steuerung 3 und eines Steuersignals 15 derart eingestellt wird, dass die Pumpstrahlung 12 und die MIR-Strahlung 6 phasengleich in dem Konversionskristall des Frequenzkonverters 2a eintreffen.The first part 12 The pump radiation is via an adjustable delay path 14 for pumping the non-linear optical crystal in the frequency converter 2a used. About the delay route 14 can be a synchronization of the modulation of the conversion efficiency of the frequency converter 2a and the modulation of the MIR radiation signal 6 reach, with the delay line 14 with the help of the controller 3 and a control signal 15 is adjusted so that the pump radiation 12 and the MIR radiation 6 in phase in the conversion crystal of the frequency converter 2a arrive.

5 zeigt eine Realisierung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, wobei der Frequenzkonverter 2b einen Resonator aufweist, in welchem der nicht-linear optische Kristall der Summenfrequenzbildung angeordnet ist, aber auch ein Laserkristall, hier ein Neodym dotierter Vanadatkristall, welcher die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Wellenlänge generiert. Dieser Laserkristall wird optisch mit Hilfe eines Dauerstrichdiodenlasers 16 mit einer Pumpwellenlänge von 808 nm gepumpt. 5 shows a realization of the measuring device according to the invention, wherein the frequency converter 2 B a resonator, in which the non-linear optical crystal of the sum frequency formation is arranged, but also a laser crystal, here a neodymium doped vanadate crystal, which generates the electromagnetic radiation having the second wavelength. This laser crystal is optically using a continuous wave diode laser 16 pumped at a pump wavelength of 808 nm.

Wie zuvor bei der Ausführungsform aus 2 generiert die Steuerung 3 ein Modulationssignal 5a, mit welchem der MIR-Beleuchtungslaser 8 moduliert wird. Zudem erzeugt die Steuerung 3 ein zu dem Modulationssignal 5a synchrones Modulationssignal 5b, mit welchem der Pumplaser 16 moduliert wird. Daher ist auch die Pumpstrahlung 12, mit der der Laserkristall in den Resonator gepumpt wird, intensitätsmoduliert.As before in the embodiment of 2 generates the control 3 a modulation signal 5a , with which the MIR illumination laser 8th is modulated. In addition, the controller generates 3 on to the modulation signal 5a synchronous modulation signal 5b with which the pump laser 16 is modulated. Therefore, the pump radiation is 12 , with which the laser crystal is pumped into the resonator, intensity modulated.

Die Konversionseffizienz des Frequenzkonverters 2a, 2b hängt unter anderem von der Intensität der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz ab, welche zum Pumpen des nichtlinear optischen Kristalls verwendet wird. Daher lässt sich mit Hilfe einer Intensitätsmodulation der Pumpstrahlung 12 des Konversionskristalls, welcher die elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz generiert, die Konversionseffizienz des Frequenzkonverters 2b ebenfalls modulieren. Über eine Einstellung der Phasenlagen der Modulationssignale 5a, 5b durch die Steuerung 3 kann wieder erreicht werden, dass die Modulationen der Konversionseffizienz und der MIR-Strahlung 6 in dem Konversionskristall phasengleich sind.The conversion efficiency of the frequency converter 2a . 2 B depends inter alia on the intensity of the electromagnetic radiation at the second frequency which is used to pump the non-linear optical crystal. Therefore, with the help of an intensity modulation of the pump radiation 12 of the conversion crystal which generates the electromagnetic radiation at the second frequency, the conversion efficiency of the frequency converter 2 B also modulate. By setting the phase angles of the modulation signals 5a . 5b through the controller 3 can be achieved again that the modulations of the conversion efficiency and the MIR radiation 6 are in phase in the conversion crystal.

7 zeigt die Anordnung aus 5 mit einer größeren Detaillierung. 7 shows the arrangement 5 with a greater detail.

7 zeigt, dass der mit Hilfe der Steuerung 3 modulierte Pumplaser 16 mit einer Wellenlänge von 808 nm den Nd:YVO₄-Kristall optisch pumpt, wobei der Kristall 19 in einem von vier Spiegeln 20, 21, 22, 23 gebildeten Laserresonator angeordnet ist. Während die Spiegel 21, 22 der Faltung und Fokussierung der von dem Kristall 19 generierten Laserstrahlung dienen, bilden die Spiegel 22 und 23 die Endspiegel des Resonators. Innerhalb des Resonators befindet sich auch der nichtlinear optische periodisch gepolte Lithiumniobatkristall 24. Dieser wird von der von dem Laserkristall 19 generierten Laserstrahlung gepumpt und der Kristall 24 generiert die NIR-Strahlung 7 mit der Summenfrequenz aus der Frequenz der MIR-Strahlung 6 und der von dem Kristall 19 generierten Laserstrahlung. 7 shows that with the help of the controller 3 modulated pump laser 16 with a wavelength of 808 nm optically pumps the Nd: YVO ₄ crystal, the crystal 19 in one of four mirrors 20 . 21 . 22 . 23 formed laser resonator is arranged. While the mirrors 21 . 22 the folding and focusing of the crystal 19 Generated laser radiation serve to form the mirrors 22 and 23 the end mirrors of the resonator. Within the resonator is also the non-linear optical periodically poled lithium niobate crystal 24 , This one is from that of the laser crystal 19 generated laser radiation pumped and the crystal 24 generates the NIR radiation 7 with the sum frequency from the frequency of the MIR radiation 6 and that of the crystal 19 generated laser radiation.

Der Endspiegel 23 des Resonators dient als Einkoppelspiegel für die MIR-Strahlung 6 und weist für diese eine Antireflexionsbeschichtung auf. Der Faltspiegel 22 des Resonators dient als Auskoppelspiegel für die NIR-Strahlung aus dem Kristall 24, sodass dieser Spiegel 22 eine Antireflexionsbeschichtung für die NIR-Strahlung 7 aufweist.The end mirror 23 of the resonator serves as a coupling mirror for the MIR radiation 6 and has an antireflection coating for them. The folding mirror 22 of the resonator serves as a coupling-out mirror for the NIR radiation from the crystal 24 so this mirror 22 an antireflection coating for the NIR radiation 7 having.

Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung aus den 5 und 7 beruht auf einer Modulation der Konversionseffizienz des Frequenzkonverters 2b durch Modulieren des Pumplasers 16 des Festkörperlasers zum Generieren der elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz.The embodiment of the measuring device according to the invention from the 5 and 7 is based on a modulation of the conversion efficiency of the frequency converter 2 B by modulating the pump laser 16 of the solid state laser for generating the electromagnetic radiation at the second frequency.

Dem gegenüber ist es auch möglich, statt des Pumplasers 16 die Güte des Resonators zu modulieren. 6 zeigt eine solche Ausführungsform, bei welcher das Modulationssignal 5b von der Steuerung 3 eine Güteschaltung 17 treibt, die wiederum über das Steuersignal 18 einen Güteschalter des Resonators, in welchem der Laserkristall 19 und der nicht-linear optische Kristall 24 angeordnet sind, betreibt. Dieser Güteschalter bewirkt, dass die Leistung der Laserstrahlung innerhalb des Resonators moduliert ist. Bezogen auf die Darstellung aus 7 würde dies bedeuten, dass einer der Spiegel, beispielsweise der Einkoppelspiegel 20 des Resonators, als aktiver Güteschalter ausgestaltet ist.On the other hand, it is also possible, instead of the pump laser 16 to modulate the quality of the resonator. 6 shows such an embodiment in which the modulation signal 5b from the controller 3 a quality circuit 17 drives, in turn, via the control signal 18 a Q-switch of the resonator, in which the laser crystal 19 and the non-linear optical crystal 24 are arranged operates. This Q-switch causes the power of the laser radiation within the resonator to be modulated. Based on the presentation 7 this would mean that one of the mirrors, for example the coupling-in mirror 20 of the resonator, designed as an active Q-switch.

Für Zwecke 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.For purposes of the original disclosure, it is to be understood that all such features as will become apparent to those skilled in the art from the present description, drawings, and claims, even if concretely described only in connection with certain other features, both individually and separately any combination with other of the features or feature groups disclosed herein are combinable, unless this has been expressly excluded or technical conditions make such combinations impossible or pointless. On the comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is omitted here only for the sake of brevity and readability of the description.

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.While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description, such illustration and description is exemplary only and is not intended to limit the scope of the protection as defined by the claims. The invention is not limited to the disclosed embodiments.

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.Variations of the disclosed embodiments will be apparent to those skilled in the art from the drawings, the description and the appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a" or "an" does not exclude a plurality. The mere fact that certain features are claimed in different claims does not exclude their combination. Reference signs in the claims are not intended to limit the scope of protection.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Probesample
2a2a: Frequenzkonverter (MIR-NIR-Konverter)Frequency converter (MIR-NIR converter)
2b2 B: Frequenzkonverter (MIR-NIR-Konverter) in einem optischen ResonatorFrequency converter (MIR-NIR converter) in an optical resonator
33: Steuerungcontrol
44: NIR-StrahlungsdetektorNIR radiation detector
55: Modulationssignalmodulation signal
5a5a: Modulationssignalmodulation signal
5b5b: Synchronisiertes ModulationssignalSynchronized modulation signal
5c5c: Synchronisiertes ModulationssignalSynchronized modulation signal
66: MIR-StrahlungMIR radiation
77: NIR-StrahlungNIR radiation
88th: MIR-BeleuchtungslaserMIR illumination laser
99: MIR-Beleuchtung der Probe 1MIR illumination of sample 1
1010: Optisch-Parametrische MIR-LichterzeugungOptical parametric MIR light generation
1111: Gütegeschalteter PumplaserQ-switched pump laser
1212: NIR-PumplichtNIR pump light
1313: Strahlteilerbeamsplitter
1414: Verzögerungsstreckedelay path
1515: Steuersignal für die Verzögerungsstrecke 14 Control signal for the delay line 14
1616: cw-NIR-Pumpquellecw-NIR pump source
1717: GüteschaltungQ-switching
1818: Optische ModulationOptical modulation
1919: Laserkristalllaser crystal
20, 21, 22, 2320, 21, 22, 23: Resonatorspiegelresonator
2424: nicht-linear optischer Konversionskristallnon-linear optical conversion crystal

Claims

Optical measuring device with an excitation device ( 8th ) arranged to receive a sample in an operation of the measuring device ( 1 ) such that the sample ( 1 ) intensity-modulated electromagnetic radiation ( 6 ) radiates at a first frequency and in succession with a first intensity and a second intensity, and a detection device for the electromagnetic radiation ( 6 ) with the first frequency, wherein the detection device comprises a frequency converter ( 2a . 2 B ) with a source of electromagnetic radiation ( 6 . 7 ) arranged to emit and emit electromagnetic radiation at a second frequency in the operation of the measuring device, and a non-linear optical element (10). 24 ), which is in a beam path of the electromagnetic radiation ( 6 ) is arranged at the first frequency and in a beam path of the electromagnetic radiation at the second frequency, wherein the non-linear optical element ( 24 ) is arranged such that in the operation of the measuring device by a non-linear optical process from the electromagnetic radiation having the first and the second frequency electromagnetic radiation ( 7 ) is generated at a third frequency, so that the third frequency is greater than the first frequency, and one in the beam path of the electromagnetic radiation ( 7 ) with the third frequency arranged radiation detector ( 4 ) for the electromagnetic radiation ( 7 ) having the third frequency, characterized in that the frequency converter ( 2a . 2 B ) is variable between a first efficiency of the non-linear optical process and a second efficiency of the non-linear optical process, wherein the first efficiency is greater than the second efficiency, wherein the measuring device comprises a controller ( 3 ), which in the operation of the measuring device, the frequency converter ( 2a . 2 B ) between the first and the second efficiency such that when electromagnetic radiation ( 6 ) falls with the first frequency with the first intensity in the non-linear optical element, the frequency converter ( 2a . 2 B ) has the first efficiency, and when electromagnetic radiation ( 6 ) with the first one Frequency with the second intensity falls in the non-linear optical element, the frequency converter ( 2a . 2 B ) has the second efficiency.

Optical measuring device according to the preceding claim, characterized in that the excitation device ( 8th ) and the frequency converter ( 2a . 2 B ) are so effectively interconnected that in the operation of the measuring device, when electromagnetic radiation ( 6 ) falls with the first frequency with the first intensity in the non-linear optical element, the frequency converter ( 2a . 2 B ) has the first efficiency, and when electromagnetic radiation ( 6 ) falls with the first frequency of the second intensity in the non-linear optical element, the frequency converter ( 2a . 2 B ) has the second efficiency.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the source for the electromagnetic radiation with the second frequency is arranged such that it generates in the operation of the measuring device intensity-modulated electromagnetic radiation at the second frequency with a first intensity and a second intensity, and wherein the first intensity is greater than the second intensity, and wherein the excitation means and the source of electromagnetic radiation at the second frequency are operatively connected to each other such that, in the operation of the measuring apparatus, when electromagnetic radiation ( 6 ) with the first frequency at the first intensity falls into the non-linear optical element, also electromagnetic radiation at the second frequency with the first intensity falls into the non-linear optical element, and then when electromagnetic radiation ( 6 ) with the first frequency at the second intensity falls within the non-linear optical element, and electromagnetic radiation at the second frequency at the second intensity falls within the non-linear optical element.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the source for the electromagnetic radiation at the second frequency is a pump laser ( 16 ) which is set up in such a way that it emits electromagnetic pump radiation (15) in the operation of the measuring device ( 12 ), and a solid-state laser with a laser crystal ( 19 ) for generating the electromagnetic radiation having the second frequency and a resonator for the electromagnetic radiation having the second frequency, wherein the laser crystal ( 19 ) and the non-linear optical element ( 24 ) are arranged in the resonator, and wherein the pump laser ( 16 ) is arranged such that the pump radiation ( 12 ) in the operation of the measuring device the laser crystal ( 19 ), so that the laser crystal ( 19 ) generates the electromagnetic radiation at the second frequency.

Optical measuring device according to the preceding claim, characterized in that the pump laser ( 16 ) is set up in such a way that in the operation of the measuring device it generates an intensity-modulated pump radiation ( 12 ) having a first intensity and a second intensity, wherein the second intensity is less than the first intensity.

Optical measuring device according to claim 4, characterized in that the resonator of the solid-state laser comprises a Q-switch ( 17 ), so that the resonator is changeable between a first quality and a second quality, wherein the first quality is greater than the second quality.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation device ( 8th ) is set up in such a way that in the operation of the measuring device it emits the radiation of pulsed electromagnetic radiation ( 6 ) with the first frequency of the sample ( 1 ), and the second frequency electromagnetic radiation source is arranged to generate pulsed electromagnetic radiation at the second frequency in the operation of the measuring device.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device comprises a device ( 14 ) for adjustable and changeable time delay or for introducing an adjustable and changeable phase shift between the electromagnetic radiation ( 6 ) having the first frequency and the electromagnetic radiation having the second frequency.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device further comprises a pump laser ( 11 ), preferably a diode-pumped and Q-switched solid-state laser, which in the operation of the measuring device generates pulsed electromagnetic pump radiation ( 14 ) is generated at a pumping frequency, and a non-linear optical generator, preferably an optical parametric oscillator ( 10 ), wherein the measuring device is designed such that in the operation of the measuring device, a first part of the pump radiation ( 12 ) is conducted as electromagnetic radiation at the second frequency in the non-linear optical element and a second part of the pump radiation ( 12 ) for driving the optical parametric oscillator ( 10 ) is used, so that the optical parametric oscillator ( 10 ) electromagnetic radiation, preferably the electromagnetic radiation of the first frequency generated.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation device is a source of electromagnetic radiation, preferably a laser ( 8th ) or a light-emitting diode, wherein the measuring device is set up such that in the operation of the measuring device the electromagnetic radiation ( 9 ) the source to the test ( 1 ), wherein the source is preferably arranged such that in the operation of the measuring device it controls the electromagnetic radiation ( 9 . 6 ) generated at the first frequency.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic radiation ( 9 . 6 ) having the first frequency a wavelength in a range of 1.5 microns to 350 microns, preferably in a range of 2 microns to 12 microns and more preferably in a range of 3 microns to 6 microns, and / or that the electromagnetic radiation ( 7 ) having the third frequency has a wavelength of 1.1 μm or less, preferably in a range of 0.19 μm to 1.1 μm.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation device is an ultrasonic transducer, a heater or an actuator.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that a sensitivity of the radiation detector ( 4 ) is variable between a first sensitivity and a second sensitivity, wherein the first sensitivity is greater than the second sensitivity, and that the excitation device ( 8th . 10 ) and / or the frequency converter ( 2a . 2 B ) and the radiation detector ( 4 ) are so effectively interconnected that in the operation of the measuring device, when electromagnetic radiation ( 7 ) at the third frequency at a first intensity to the radiation detector ( 4 ), the radiation detector ( 4 ) has the first sensitivity, and when electromagnetic radiation (7) at the third frequency with a second intensity to the radiation detector ( 4 ), the radiation detector ( 4 ) has the second sensitivity, wherein the first intensity is greater than the second intensity.

Optical measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that a sensitivity of the radiation detector ( 4 ) is modulatable between a first sensitivity and a second sensitivity, wherein the first sensitivity is greater than the second sensitivity, and that the excitation device ( 8th . 10 ), the frequency converter ( 2a . 2 B ) and the radiation detector ( 4 ) is effective with the controller ( 3 ), the controller ( 3 ) is arranged such that in the operation of the measuring device, the intensity of the electromagnetic radiation at the first frequency is modulated at a first modulation frequency between the first intensity and the second intensity, the efficiency of the frequency converter at a second modulation frequency between the first efficiency and the second Efficiency is modulated, and the sensitivity of the radiation detector is modulated with a third modulation frequency between the first sensitivity and the second sensitivity, wherein the third modulation frequency is equal to the sum of the first modulation frequency and the second modulation frequency.

Optical measuring method with the steps: exciting a sample ( 1 ), so that the sample ( 1 ) intensity-modulated electromagnetic radiation ( 6 ) radiates at a first frequency and in temporal succession with a first intensity and a second intensity, wherein the first intensity is greater than the second intensity, and detecting the electromagnetic radiation ( 6 at the first frequency, wherein the detecting comprises the steps of generating and emitting electromagnetic radiation at a second frequency, generating electromagnetic radiation having a third frequency by a non-linear optical process in a non-linear optical element (US Pat. 24 ) from the electromagnetic radiation ( 6 ) with the first frequency and the electromagnetic radiation at the second frequency, so that the third frequency is greater than the first frequency, and detecting the electromagnetic radiation ( 7 ) at the third frequency with a radiation detector ( 4 ), characterized in that the method further comprises the steps of changing the efficiency of the non-linear optical process between a first efficiency and a second efficiency, wherein the first efficiency is greater than the second efficiency, such that when the electromagnetic radiation ( 6 ) at the first frequency of the first intensity falls within the non-linear optical element, the non-linear optical process has the first efficiency, and then when the electromagnetic radiation ( 6 ) at the first frequency of the second intensity falls within the non-linear optical element, the non-linear optical process has the second efficiency.