DE102017216905A1

DE102017216905A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Untersuchen eines Materialgemisches

Info

Publication number: DE102017216905A1
Application number: DE102017216905.2A
Authority: DE
Inventors: Mathieu Rayer; Matthias Sperl
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2019-03-28
Also published as: WO2019057884A1

Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen einer Materialmischung bereitgestellt. Das Verfahren weist aufweisend: mindestens ein teilweises Füllen (S1) einer Kammer (106) mit dem Materialgemisch (110), wobei das Materialgemisch (110) einen Brechungsindex und ein vorgegebenes Material aufweist; ein Bestrahlen (S2) des Materialgemisches (110) in der Kammer (106) mit einer elektromagnetischen Strahlung (104) mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle (102), wobei die Strahlungsquelle (102) derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches (110) ist, das die elektromagnetische Strahlung (102) der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, und ein direktes oder indirektes Messen (S3) des Brechungsindexes des Materialgemisches (110) mittels einer Mess-Vorrichtung (112) .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen eines Materialgemisches.
Ein Gassensor ist eine Vorrichtung zur Erfassen gasförmiger Substanzen, wobei die Konzentration der gasförmigen Substanz in der Umgebungsluft in der direkten Umgebung des Gassensors erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Ein herkömmlicher Gassensor basiert unter anderem auf der fotoakustischen Rückkopplung eines zu erfassenden Gases, einer Absorptionsspektroskopie oder einer Störung eines Evaneszenzfeldes. Die herkömmlichen Verfahren basieren üblicherweise auf chemischen Reaktionen, einer Absorption im mittleren Infrarotbereich und/oder die Vorrichtungen weisen bewegliche Teile auf, beispielsweise einen sogenannten Chopper, um einen Lichtstrahl periodisch zu unterbrechen. Die herkömmlichen Verfahren sind durch die beweglichen Teile und großen, erforderlichen Probenvolumina relativ kostenintensiv und zeitlich instabil, da sich unter anderem die Justierung der Vorrichtungen ändert, beispielsweise durch Temperaturschwankungen.
In verschiedenen Ausführungsformen werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, mit denen es möglich ist, ein Materialgemisch zu untersuchen, beispielsweise eine Konzentrationsänderung eines vorgegebenen Materials in einem Materialgemisch zu erfassen, wobei die Vorrichtung kompakter ist als herkömmliche Vorrichtungen und das Verfahren zuverlässiger ist als herkömmliche Verfahren. Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche Bestandteile des Materialgemisches mit einer einzigen Mess-Vorrichtung untersucht werden.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt. Das Verfahren weist mindestens ein teilweises Füllen einer Kammer mit dem Materialgemisch auf. Das Materialgemisch weist einen Brechungsindex auf und weist ein vorgegebenes Material auf. Das Verfahren weist weiterhin ein Bestrahlen des Materialgemisches in der Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle auf. Die Strahlungsquelle ist derart eingerichtet, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert. Das Verfahren weist weiterhin ein direktes oder indirektes Messendes Brechungsindexes des Materialgemisches mittels einer Mess-Vorrichtung auf.
Das Untersuchen ist beispielsweise ein Erfassen einer Konzentrationsänderung des Materials in dem Materialgemisch.
Dies ermöglicht zeitlich stabile Untersuchungen des Materialgemischs, beispielsweise da für Messungen basierend auf dem Brechungsindex in der Vorrichtung nicht notwendiger Weise bewegliche Teile oder chemische Reaktionen erforderlich sind.
Ein herkömmliches Absorptionsspektrometer zum Erfassen eines Anteils eines vorgegebenen Materials in einem Materialgemisch basiert auf der Messung eines absorptionsbedingten Energieverlustes einer elektromagnetischen Strahlung durch Passieren des Materialgemisches. Im Gegensatz dazu wird bei der Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Anteil des vorgegebenen Materials an dem Materialgemisch durch Erfassen des Brechungsindexes bzw. einer vom Brechungsindex des Materialgemisches indirekt abhängigen Größe erfasst.
Eine indirekte Größe ist beispielsweise die optische Weglänge einer elektromagnetischen Strahlung in einer optischen Kavität oder einem Streu- oder Brechungswinkel der elektromagnetischen Strahlung, der sich nach der Bestrahlung mit einer spezifisch von dem vorgegebenen Material absorbierten, elektromagnetischen Strahlung einstellt.
Die Änderung der optischen Weglänge durch das Bestrahlen des Materialgemisches kann zu einem Ändern der Position eines in einem Wellenleiter geführten Strahls elektromagnetischer Strahlung führen, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Änderung der optischen Weglänge durch das Bestrahlen des Materialgemisches zu einem Ändern der Intensität eines Strahls elektromagnetischer Strahlung führen, indem durch die Brechungsindexänderung eine Interferenzbedingung in einer optischen Kavität geändert wird.
Ein Messen der indirekt abhängigen Größe wird als indirektes Messen bezeichnet. Beispielsweise ist das Messen einer optischen Weglänge einer elektromagnetischen Strahlung einer vorgegebenen Wellenlänge in einem Wellenleiter ein indirektes Messen des Brechungsindexes des Wellenleiters, da die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung nicht verändert wird.
Das Messen des Brechungsindexes des Materialgemisches mittels der Mess-Vorrichtung kann während des Bestrahlens und/oder nach einem Beenden des Bestrahlens des Materialgemisches mit der elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge erfolgen. Während des Bestrahlens erwärmt sich das Materialgemisch durch die Absorption der elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebene Wellenlänge von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur. Das Materialgemisch weist bei der zweiten Temperatur einen anderen Brechungsindex auf als bei der ersten Temperatur. Der Unterschied zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur, beispielsweise die Temperaturänderung des Materialgemisches, und damit auch die Änderung des Brechungsindexes des Materialgemisches sind unter anderem funktional abhängig von dem Anteil des vorgegebenen Materials an dem Materialgemisch. Somit kann das Messen des Brechungsindexes die Messung des zeitlichen Verlaufs des Brechungsindexes sein. Beispielsweise ist der Verlauf eine Zeitreihe von Brechungsindexwerten. Der Brechungsindex kann dabei als eine komplexe Größe gemessen werden, beispielsweise als Real- und Imaginärteil mittels einer Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie.
Nach dem Beenden der Bestrahlung des Materialgemisches ändert sich die Temperatur auf eine dritte Temperatur, die kleiner als die zweite Temperatur ist. Die dritte Temperatur kann beispielsweise ungefähr der ersten Temperatur entsprechen.
Mit anderen Worten: der Brechungsindex des Materialgemisches kann während eines Heiz- und/oder Kühlzyklus gemessen werden. Alternativ kann der Brechungsindex aus mehreren Messungen, beispielsweise mehreren Heiz- und/oder Kühlzyklen ermittelt werden, beispielsweise als ein mittlerer Verlauf des Brechungsindexes des Materialgemisches während oder nach der Bestrahlung.
Bei einem Messen des Brechungsindexes eines Materials mit einem herkömmlichen Refraktometer wird eine solche Brechungsindexänderung durch Absorption als Einschwingvorgang der Mess-Vorrichtung verworfen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Brechungsindex des Materialgemisches gemessen werden, nachdem sich in dem Materialgemisch ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat.
In einer Weiterbildung weist das Verfahren ferner ein Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches bezüglich eines Referenzwerts mittels einer Auswerteeinheit auf.
Der Referenzwert ist beispielsweise ein zuvor gemessener Wert des Materialgemischs, ein gemessener Wert der leeren Kammer, einer Referenzkammer mit einem Materialgemisch, das frei ist von dem vorgegebenen Material und/oder einem elektronisch gespeicherten Wert.
Dadurch können beispielsweise Konzentrationen des vorgegebenen Materials, beispielsweise Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid, etc., in einem Materialgemisch, beispielsweise Luft, in einem Konzentrationsbereich von ungefähr 50 ppm bis 5000 ppm oder mehr erfasst werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt. Die Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle auf, die zum Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Kammer mit dem Materialgemisch auf. Das Materialgemisch weist einen Brechungsindex auf. Das Materialgemisch weist weiterhin ein vorgegebenes Material auf. Die Strahlungsquelle ist derart eingerichtet, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Mess-Vorrichtung zum Messen des Brechungsindexes des Materialgemisches auf.
Anschaulich basiert die Vorrichtung auf der Rückkopplung eines zu erfassenden, vorgegebenen Materials, beispielsweise eines, Gases auf eine optische, elektromagnetische Welle. Die Absorption der elektromagnetischen Welle durch das vorgegebene Material induziert eine Temperaturänderung des Materialgemisches, die zu einer Änderung des Brechungsindexes des Materialgemisches führt. Die Brechungsindexänderung kann beispielsweise mittels einer interferometrischen Mess-Vorrichtung erfasst werden. Die interferometrische Mess-Vorrichtung ist beispielsweise ein Mach-Zehnder-Interferrometer. Alternativ oder zusätzlich basiert die interferometrische Mess-Vorrichtung auf einem sogenannten, Brechungsindex-basiertem optischem „Chirped Gitter“. Bei einem Chirped Gitter ändert sich mittels des Brechungsindexprofils die Resonanzbedingung entlang der Ausbreitungsrichtung von Licht in dem Chirped Gitter, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird. Mittels eines Chirped Gitters ist die Empfindlichkeit bzw. die Sensitivität der Vorrichtung unabhängig von dem Volumen der Probenkammer. Dadurch kann die Vorrichtung in ihrer Abmessung verkleinert werden. Dies ermöglicht eine kompakte und/oder eine auf einfache Weise skalierbare Vorrichtung bereitzustellen.
Weiterhin kann die Vorrichtung eine verbesserte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweisen als herkömmliche Vorrichtungen. Beispielsweise kann die Zuverlässigkeit der Vorrichtung, beispielsweise bezüglich einer minimalen, detektierbaren Konzentration des vorgegebenen Materials in dem Materialgemisch erhöht werden. Beispielsweise ist die Mess-Vorrichtung weniger anfällig für Temperaturfluktuationen als herkömmliche Absorptionsspektrometer. Beispielsweise werden herkömmliche Absorptionsspektrometer im mittleren Infrarotbereich (MIR) betrieben, wohingegen die Mess-Vorrichtung im nahen Infrarotbereich (NIR) betrieben werden kann.
In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zum Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches auf.
Dadurch kann mittels der vorgegebenen Wellenlänge das Verhalten, beispielsweise eine Konzentrationsänderung, eines vorgegebenen Materials in dem Materialgemisch untersucht werden. In noch einer Weiterbildung ist die Kammer mit der Strahlungsquelle derart optisch gekoppelt, dass die elektromagnetische Strahlung mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch in der Kammer absorbierbar ist. Mit anderen Worten: die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge gelangt auch zu dem vorgegebenen Material.
In noch einer Weiterbildung ist die Strahlungsquelle ein Laser oder eine Laser-Diode ist. Dies ermöglicht eine bessere Abstimmung der vorgegebenen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung auf das vorgegebene Material. Dadurch können parasitäre Absorptionen reduziert oder vermieden werden, beispielsweise das ein weiteres Material des Materialgemischs eine Seitenbande der elektromagnetischen Strahlung einer breitbandigen Strahlungsquelle absorbiert.
In noch einer Weiterbildung weist die Vorrichtung ferner einen optischen Filter auf, der durchlässig für elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist und eingerichtet ist, die Transmission elektromagnetischer Strahlung mindestens einer weiteren Wellenlänge reduziert oder blockiert. Dies ermöglicht eine einzige Strahlungsquelle für die Vorrichtung zu verwenden, die wahlweise elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher, vorgegebener Wellenlängen für unterschiedliche vorgegebene Materialien bereitstellen kann. Beispielsweise weist die Strahlungsquelle mehrere, unterschiedliche Laserdioden auf oder eine Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung mit mehreren, voneinander beabstandeten Wellenlängenbereichen bzw. Bändern emittiert.
In noch einer Weiterbildung ist das vorgegebene Material des Materialgemischs eines der folgenden Materialien Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid.
In noch einer Weiterbildung ist das Materialgemisch gasförmig und das Materialgemisch entspricht einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung. Entsprechend ist die Kammer eingerichtet, die Umgebungsluft aufzunehmen und für die Dauer der Messungen zu halten. Optional ist die Kammer eingerichtet, so dass das Materialgemisch bzw. das Gasgemisch in der Kammer gewechselt werden kann, wenn sich die Umgebungsluft in ihrer Zusammensetzung ändert. Beispielsweise weist die Kammer einen Zu- und/oder Abgang und eine Pumpe auf, um die Kammer zu evakuieren.
In noch einer Weiterbildung ist das Materialgemisch gasförmig und die Kammer weist einen Drucksensor auf, der eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen Materialgemisches in der Kammer zu erfassen. Dies ermöglicht es, den Einfluss der Änderung der Dichte des Materialgemisches auf die Änderung des Brechungsindexes zu erfassen.
In noch einer Weiterbildung ist das Materialgemisch flüssig und das Materialgemisch ist auf einer Oberfläche der Kammer adsorbiert und die Mess-Vorrichtung ist zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten Materialgemisches eingerichtet. Beispielsweise basiert die Mess-Vorrichtung auf einem Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer. Beispielsweise weist die Mess-Vorrichtung und/oder die Kammer einen entsprechenden Probenhalter auf, um das flüssige Materialgemisch in dem Strahl elektromagnetischer Strahlung der Strahlungsquelle zu halten.
In noch einer Weiterbildung weist die Kammer ferner eine optische Kavität auf, die derart bezüglich der Strahlungsquelle in der Kammer ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität erfüllt und in die optische Kavität passiert. Die optische Kavität ist beispielsweise eine Fabry-Perot-Kavität. Das Materialgemisch kann sich dabei in der optischen Kavität befinden. Dadurch kann die Intensität und/oder Strahlungsdichte der elektromagnetischen Strahlung in der Kammer auf einfache Weise erhöht werden. Mittels der optischen Kavität kann eine lokale optische Strahlungsdichte in dem Materialgemisch erhöht werden, beispielsweise um mehr als das 100-fache. Beispielsweise passiert der Strahl der elektromagnetischen Strahlung einen Bereich des Materialgemischs mehrfach und bei jedem Durchgang des Strahls durch den Bereich kann ein Teil des Strahls elektromagnetischer Strahlung von dem vorgegebenen Material absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Dadurch kann das erforderliche Volumen für die Probenkammer reduziert werden. Dies ermöglicht eine kompakte und/oder eine auf einfache Weise skalierbare Vorrichtung bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann dadurch die Sensitivität der Vorrichtung bezüglich der minimal erfassbaren Konzentration erhöht werden.
In noch einer Weiterbildung weist die Mess-Vorrichtung eine weitere Strahlungsquelle auf, die zu einem Emittieren einer weiteren (zweiten) elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, wobei der Brechungsindex basierend auf der weiteren elektromagnetischen Strahlung erfasst, ermittelt bzw. gemessen wird. Die weitere elektromagnetische Strahlung kann unterschiedlich zu der (ersten) elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge sein. Die erste elektromagnetische Strahlung und die zweite elektromagnetische Strahlung können derart zueinander in der Kammer verlaufen, dass die Mess-Vorrichtung nur die zweite elektromagnetische Strahlung erfasst. Die zweite elektromagnetische Strahlung kann ein multichromes Spektrum aufweisen, beispielsweise eine Weißlichtquelle. Dadurch können für die Erfassung des Brechungsindexes bzw. deren Änderung der Brechungsindex mehrerer Wellenlängen gleichzeitig oder nacheinander mittels einer einzigen Bestrahlung durch die weitere Strahlungsquelle erfasst werden. Dies ermöglicht es beispielweise die Änderung der Konzentration des vorgegebenen Materials mittels mehrerer Datenpunkte (unterschiedliche Wellenlängen) zu erfassen. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Messung erhöht werden, die Messzeit verkürzt werden und/oder das Probenvolumen verkleinert werden. Anschaulich ermöglicht dies, dass für die Anregung des vorgegebenen Materials, beispielsweise für die Erwärmung des Materialgemisches und für die Messung des Brechungsindexes des Materialgemisches elektromagnetische Strahlung mit zueinander unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden können. Mittels unterschiedlicher vorgegebener Wellenlängen, die von unterschiedlichen vorgegebenen Materialien selektiv absorbiert werden, können weiterhin unterschiedliche Materialien und Materialgemische mit einer einzigen Mess-Vorrichtung untersucht werden.
In noch einer Weiterbildung weist die Mess-Vorrichtung einen optischen Resonator, der positionsabhängig unterschiedliche Eigenfrequenzen für eine vorgegebene elektromagnetische Strahlung aufweist, und eine Fotodiode, die zum Erfassen der Position der elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Resonator angeordnet und eingerichtet ist, auf. Dies ermöglicht durch die Änderung der Position einer elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Resonator eine genaue und einfache Bestimmung des Brechungsindex des Materialgemisches. Beispielsweise ist die Position der Eigenfrequenzen in dem optischen Resonator abhängig von der Lichtkopplung und von dem Brechungsindex an der Oberfläche des optischen Resonators. Das Materialgemisch befindet sich anschaulich im körperlichen Kontakt mit dem optischen Resonator.
In noch einer Weiterbildung ist oder basiert die Mess-Vorrichtung auf eine/r der folgenden Vorrichtungen: ein Interferometer, ein Ellipsometer, ein Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer, ein Refraktometer.
Mit einem Mach-Zehnder-Interferometer als Interferometer kann die Abmessung der Probenkammer, beispielsweise die Länge und das Volumen der Probenkammer, reduziert werden. Dies ist möglich, da das auf der Vorrichtung basierende Erfass-Verfahren sehr sensitiv ist, beispielsweise eine geringe Nachweisschwelle aufweist, das heißt bereits geringe Konzentrationen nachweisbar sind.
Eine Mess-Vorrichtung basierend auf einem Ellipsometer weist beispielsweise durch Bestimmung des Brewster-Winkels eine hohe Sensitivität bezüglich des Brechungsindexes des Materialgemisches auf. In ähnlicher Weise weist eine Oberflächenplasmonenresonanz-Messtruktur eine Hohe Sensitivität bezüglich des Brechungsindexes des Materialgemisches beim Winkel der Oberflächenplasmonenresonanz auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen

1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
4 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Vorrichtung 100 bereitgestellt mittels der ein Materialgemisch 110 untersucht werden kann. Das Materialgemisch 110 weist ein vorgegebenes Material auf. Das vorgegebene Material ist das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches 110, das eine elektromagnetische Strahlung 104 einer vorgegebenen Wellenlänge absorbieren kann. Die durch das vorgegebene Material selektive Absorption der elektromagnetischen Strahlung 104 führt zu einer Erwärmung des Materialgemisches 110. Durch die Erwärmung des Materialgemisches 110 ändern sich einige physikalische Eigenschaften des Materialgemisches 110, beispielsweise der Brechungsindex des Materialgemisches 110. Der Brechungsindex n und die temperaturabhängige Änderung des Brechungsindex dn/dT des Materialgemisches 110 sind abhängig von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und/oder von der Konzentration bzw. dem Anteil des vorgegebenen Materials in dem Materialgemisch 110. Durch die Bestrahlung des Materialgemisches 110 mit der elektromagnetischen Strahlung 104 kann somit ein Rückschluss auf den Gehalt bzw. die Konzentration an vorgegebenem Material an dem Materialgemisch 110 gezogen werden.
Grundlage für die selektive Absorption ist dabei, dass die elektromagnetische Strahlung Atom- bzw. Molekülzustände des vorgegebenen Materials energetisch anregt. Im Abregungsprozess der angeregten Zustände des vorgegebenen Materials führt dies teilweise zu einer Erwärmung des vorgegeben Materials (in Form einer Erzeugung von Phononen) und somit zu einer Erwärmung des Materialgemisches 110. Übergänge zwischen Energieniveaus eines Atoms bzw. Moleküls entsprechen Energien, die einer Wellenlänge der anregenden elektromagnetischen Strahlung zugeordnet ist. Mit anderen Worten: bestimmte Übergänge zwischen Energieniveaus lassen sich nur mit elektromagnetischer Strahlung bestimmter Wellenlänge anregen. Anwendungsspezifisch sind in einem Materialgemisch nur einige, wenige mögliche Materialien in dem Materialgemisch enthalten. Beispielsweise sind die grundlegenden Bestandteile von Umgebungsluft ortsunabhängig bekannt bzw. abschätzbar.
Die in dem Materialgemisch enthaltenen, realistischer Weise möglichen Materialen weisen teilweise Übergänge zwischen Energieniveaus auf, die kein weiteres Material in dem Materialgemisch aufweist. Alternativ weisen die weiteren Materialien Übergänge mit einer wesentlich geringeren Absorption und/oder einem Abregungsprozess ohne oder mit geringerer Erwärmung des Materialgemisches 110 auf. Das Material mit mindestens einem Übergang, den kein weiteres Material des Materialgemischs aufweist, wird bezüglich dieses Überganges und der zur Anregung dieses Überganges im Zusammenhang stehenden Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung als vorgegebenes Material oder selektiv absorbierendes Material bezeichnet.
Mittels einer selektiven Anregung des spezifischen Energieniveau-Überganges und einem Erfassen der Auswirkung des Abregungsprozesses (Erwärmung des Materialgemisches 110), beispielsweise der erwärmungsbedingten Änderung des Brechungsindexes des Materialgemisches 110, kann auf die Konzentration des selektiv absorbierenden Materials in dem Materialgemisch und/oder auf eine Änderung der Konzentration des selektiv absorbierenden Materials in dem Materialgemisch geschlossen werden. Beispielsweise erfolgt dies durch Vergleich mit einem Referenzwert, beispielsweise einem Messwert ohne oder mit geringer Erwärmung des Materialgemisches. Dies ermöglicht beispielsweise die Vorrichtung als einen Kohlenstoffdioxid-Sensor für Umgebungsluft zu betreiben.
Im Detail:
In verschieden Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 100 eine Strahlungsquelle 102 auf. Die Strahlungsquelle ist zum Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung 104 mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet.
Die Strahlungsquelle 102 ist derart eingerichtet, dass ein vorgegebenes Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material eines Materialgemisches 110 ist, das die elektromagnetische Strahlung 104 der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert.
Die Strahlungsquelle 102 kann beispielsweise ein Laser oder eine Laser-Diode sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsquelle 102 eingerichtet sein, eine multichromatische, elektromagnetische Strahlung 104 zu emittieren.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung einen optischen Filter aufweisen, beispielsweise in der Strahlungsquelle 102 integriert. Der optische Filter ist durchlässig für elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet und ist eingerichtet, die Transmission elektromagnetischer Strahlung mindestens einer weiteren Wellenlänge zu reduzieren oder zu blockieren. Die Strahlungsquelle 102 ist eingerichtet eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von ungefähr 200 nm bis ungefähr 20 µm zu emittieren.
Die elektromagnetische Strahlung 104 kann Licht im sichtbaren Bereich, infrarote (IR)-Strahlung und/oder ultraviolette (UV)-Strahlung aufweisen oder sein.
Die Vorrichtung weist in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Kammer 106 mit einem vorgegebenen Materialgemisch 110 auf.
Die Kammer 106 ist derart mit der Strahlungsquelle 102 optisch gekoppelt ist, dass die elektromagnetische Strahlung 104 mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch 110 in der Kammer 106 absorbierbar ist.
Die Kammer 106 kann ein oder mehrere Fenster 108 aufweisen, durch das/die elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsquelle, die außerhalb der Kammer 106 angeordnet ist, in das Materialgemisch 110 gelangen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Fenster 108 vorgesehen sein, so dass elektromagnetische Strahlung von dem Materialgemisch zu einer Mess-Struktur einer Mess-Vorrichtung 112 gelangen kann, beispielsweise zu einer Fotodiode. Das/die Fenster 108 ist/sind durchlässig für die jeweilige elektromagnetische Strahlung. Mittels der Fenster kann beispielsweise eine gasdichte Kammer realisiert werden. Das Materialgemisch 110 weist einen Brechungsindex auf. Der Brechungsindex kann für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich sein. Der Brechungsindex des Materialgemisches ergibt sich aus den relativen Anteilen der Komponenten des Materialgemisches 110 sowie deren jeweiliger Brechungsindex.
Das Materialgemisch 110 weist ein vorgegebenes Material auf. Mit anderen Worten: das Materialgemisch 110 weist mindestens das vorgegebene Material und ein weiteres Material auf, das unterschiedlich zu dem vorgegebenen Material ist. Das vorgegebene Material des Materialgemischs 110 ist beispielsweise Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid.
Das Materialgemisch 110 ist in verschiedenen Ausführungsbeispielen gasförmig. Entsprechend ist die Kammer 106 zum Aufnehmen und Halten eines Gasgemisches eingerichtet, beispielsweise luftdicht. Das Materialgemisch 110 kann beispielsweise einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung 112 entsprechen. Die Vorrichtung 100 und insbesondere die Kammer 106 kann eingerichtet sein, das gasförmige Materialgemisch 110 statisch in der Kammer 106 zu halten. Alternativ kann die Kammer 106 einen Zugang und/oder einen Abgang aufweisen, mittels denen bzw. mittels dessen die Zusammensetzung des Gases bzw. des Materialgemisches 110 in der Kammer 106 zeitlich verändert werden kann.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen, bei denen das Materialgemisch 110 mindestens teilweise gasförmig ist, kann die Kammer 106 einen Drucksensor aufweisen. Der Drucksensor ist eingerichtet, den Druck des gasförmigen Materialgemisches 110 in der Kammer 106 zu erfassen. Die Änderungen des Druckes in der Kammer 106 kann beispielsweise bedingt sein durch eine Temperaturänderung des Materialgemisches in der Kammer 106, durch eine chemische Reaktion des Materialgemisches, die zu einer Gasbildung führt; einem Ausgasen eines festen oder flüssigen Materialgemisches; einem Befüllen oder Evakuieren der Kammer 106 mit bzw. von Materialgemisch 110 mittels eines Zuganges bzw. mittels eines Abganges der Kammer 106. Der Brechungsindex des Materialgemisches bzw. des vorgegebenen Materials ist bei einer geschlossen Kammer 106 abhängig von deren Dichte, wobei die Dichte wiederum abhängig ist vom Druck in der Kammer 106. Mittels des Drucksensors kann somit die Brechungsindexänderung nach Absorption der elektromagnetischen Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge durch das vorgegebene Material basierend auf der Druckänderung korrigiert werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 100 ferner eine Mess-Vorrichtung 112 auf. Die Mess-Vorrichtung 112 ist zum Messen eines Brechungsindexes des Materialgemisches 110 eingerichtet. Der gemessene Brechungsindex ist beispielsweise der Brechungsindex bei einer vorgegebenen Wellenlängen, beispielsweise der vorgegebenen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung 104, die von der Strahlungsquelle 102 emittierbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist der gemessene Brechungsindex eine Vielzahl an Brechungsindexwerten bzw. ein Brechungsindexverlauf, für einen Wellenlängenbereich einer elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise für den Fall einer Wellenlängen-durchstimmbaren weiteren Strahlungsquelle (siehe beispielsweise 3 und 4).
In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung 100 derart eingerichtet, dass der Abstand zwischen der Strahlungsquelle 102 und der Mess-Vorrichtung 112, beispielsweise einer Fotodiode der Mess-Vorrichtung, kleiner ist als die Kohärenzlänge der elektromagnetischen Strahlung 104 mit der vorgegebenen Wellenlänge.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Mess-Vorrichtung 112 zum Messen eines Brechungsindexes des Materialgemisches 110 im Wesentlichen außerhalb der Kammer 106 ausgebildet. In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 100 weiterhin eine Auswerteeinheit 114 auf. Die Auswerteeinheit 114 ist zum Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches 110 eingerichtet.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Das in 2 schematisch veranschaulicht Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 200 kann im Wesentlichen einem oben beschriebenem Ausführungsbeispiel entsprechen. Im Unterschied zu der in 1 veranschaulichten Vorrichtung 100 ist die Vorrichtung 200 der 2 für feste, flüssige oder mehrphasige Materialgemische 110 eingerichtet. Ein mehrphasiges Materialgemisch ist beispielsweise eine Beschichtung, die ein flüchtiges Material aufweist, das aus der Beschichtung ausgast.
Mit anderen Worten: alternativ oder zusätzlich zu dem gasförmigen Materialgemisch des in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiels, kann das Materialgemisch 110 flüssig sein. Entsprechend ist die Kammer 106 zum Aufnehmen und Halten eines Flüssiggemisches eingerichtet. Beispielsweise kann das Materialgemisch 110 auf einer Oberfläche der Kammer 106, beispielsweise einer Oberfläche eines Probenhalters 202, adsorbiert sein. Der Probenhalter 202 kann beispielsweise ein Prisma oder eine Wellenleiterstruktur sein. Eine Oberfläche des Probenhalters 202, auf oder über der das Materialgemisch 110 angeordnet ist, kann mit einer Metallschicht oder einer Metalllegierung beschichtet sein, um mittels der elektromagnetischen Strahlung 104 Oberflächenplasmonen in der der Metallschicht bzw. Metalllegierungs-Schicht anzuregen. Die Mess-Vorrichtung 112 kann in diesem Beispiel zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten Materialgemisches 110 eingerichtet sein. Beispielsweise basiert die Mess-Vorrichtung auf einem Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer (surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy) und einer entsprechenden Mess-Struktur und Mess-Anordnung. Eine Kammer 106, die das Materialgemisch 110 umschließt, wie in 2 dargestellt ist, ist dabei optional. Mit anderen Worten: Die Kammer 106 ist in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Probenhalter, wobei bei nicht-gasförmigen Materialgemischen eine Umschließung des Materialgemisches 110 durch die Kammer nicht notwendigerweise erforderlich ist.
Das Materialgemisch kann jedoch, beispielsweise abhängig vom Druck in der Kammer 106, in einem flüssigen, festen und/oder gasförmigen Zustand vorliegen. Beispielsweise kann das vorgegebene Material ein flüchtiges Lösungsmittel einer Lösung (Materialgemisch) sein.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Kammer 106 eine optische Kavität 302 auf. Die optische Kavität 302 ist derart bezüglich der Strahlungsquelle 102 in der Kammer 106 ausgebildet, dass die elektromagnetische Strahlung 104 mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität 302 erfüllt und diese passiert, wie in 3 veranschaulicht ist. Dadurch kann auf einfache Weise die Intensität der elektromagnetischen Strahlung 104 in dem Materialgemisch 110 erhöht werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Mess-Vorrichtung 112 eine weitere Strahlungsquelle 304 auf. Die weitere Strahlungsquelle 304 ist zu einem Emittieren einer weiteren elektromagnetischen Strahlung eingerichtet. Die weitere elektromagnetische Strahlung kann anwendungsspezifisch eine andere Wellenlänge bzw. ein anderes Wellenlängenspektrum aufweisen als die erste Strahlungsquelle 102. Die weitere Strahlungsquelle kann beispielsweise ein Laser bzw. eine Laserdiode sein.
Der Brechungsindex kann basierend auf der weiteren elektromagnetischen Strahlung gemessen werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Mess-Vorrichtung 112 eine Fotodiode 306 auf. Die Fotodiode 306 kann eine Intensität und/oder eine Laufzeit einer elektromagnetischen Strahlung erfassen, beispielsweise der weiteren elektromagnetischen Strahlung der weiteren Strahlungsquelle 304 oder der elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge der Strahlungsquelle 102.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Mess-Vorrichtung 112 einen optischen Resonator 308 auf, beispielsweise in Form eines Strahlleiters.
In dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der optische Resonator 308 als ein sogenanntes Chirped Gitter ausgebildet. Dabei weist der optische Resonator 308 auf einem Substrat (siehe schematische Seitenansicht 320) auf oder in einem Substrat erste Bereich 312 und zweite Bereiche 314 (siehe schematische Aufsicht 310) auf. Beispielsweise sin d der erste Bereich 312 und der zweite Bereich 314 zackenförmig oder fingerförmig ineinandergreifend ausgebildet. Dadurch wird jeweils abhängig von der y-Position, in x-Richtung (longitudinale Richtung des Strahlleiters) eine andere optische Weglänge realisiert. Der optische Resonator 308 weist y-positionsabhängig somit unterschiedliche Eigenfrequenzen für eine elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge auf.
Das Materialgemisch 110, das flüssig und/oder gasförmig sein kann, ist in einem körperlichen Kontakt mit dem optischen Resonator 308. Die Änderung des Brechungsindex des Materialgemisches 110 durch Absorption der elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegeben Wellenlänge von dem vorgegeben Material, führt zu einer Änderung der Resonanzbedingung des optischen Resonators 308. Dadurch ändert sich abhängig von der Temperatur die Y-Position einer elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Resonator 308. Die y-Position einer, in dem optischen Resonator 308 geführten, elektromagnetischen Strahlung erlaubt somit einen Rückschluss auf den Brechungsindex des Materialgemisches 110. Die Änderung der y-Position durch Bestrahlung des Materialgemisches 110 mit der elektromagnetischen Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge erlaubt einen Rückschluss auf die Konzentration des vorgegebenen Materials in dem Materialgemisch 110.
Die y-Position der in dem optischen Resonator 308 geführten, elektromagnetischen Strahlung kann mittels einer Fotodiode 306 erfasst werden.
Mittels des optischen Resonators 308 kann die Empfindlichkeit bzw. die Sensitivität der Vorrichtung unabhängig von dem Volumen der Probenkammer sein. Dadurch kann die Vorrichtung in ihrer Abmessung verkleinert werden. Dies ermöglicht eine kompakte und/oder eine auf einfache Weise skalierbare Vorrichtung bereitzustellen.
4 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Mess-Vorrichtung 112 ein Interferometer aufweisen oder darauf basieren, wie in 4 schematisch dargestellt ist. Das Interferometer ist beispielsweise ein Mach-Zehnder-Interferometer oder ein Michelson-Interferometer.
Bei einer Mess-Vorrichtung 112 zur Messung des Brechungsindexes des Materialgemisches 110, die auf einem Mach-Zehnder-Interferometer basiert, kann der Einfluss der Temperatur auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messung durch relative Messungen unterbunden werden, beispielsweise mittels eines Vergleiches des gemessenen Brechungsindexes mit einem Referenzwert.
Alternativ oder zusätzlich weist die Mess-Vorrichtung 112 auf oder basiert auf einem Ellipsometer, um den Einfluss der Bestrahlung des vorgegebenen Materials mit der elektromagnetischen Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge zu erfassen. Mit anderen Worten: die Mess-Vorrichtung 112 kann auf einer Polarisation und/oder einem Einfallswinkel eines Strahls elektromagnetischer Strahlung basieren. Das Materialgemisch kann die Umgebungsluft des Strahls sein und/oder die Probe, auf die der Strahl einfällt.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren 500 zum Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt, beispielsweise zum Erfassen einer Konzentrationsänderung eines vorgegebenen Materials in dem Materialgemisch.
Das Verfahren kann mit einer oben beschriebenen Vorrichtung 100, 200 durchgeführt werden.
Das Verfahren 500 weist ein mindestens teilweises Füllen S1 einer Kammer mit einem vorgegebenen Materialgemisch auf. Das Materialgemisch weist einen Brechungsindex auf. Das Materialgemisch weist zudem das vorgegebene Material auf, beispielsweise mit einer Konzentration in einem Bereich von ungefähr 50 ppm bis ungefähr 5000 ppm, oder mehr. Das Verfahren weist ferner ein Bestrahlen S2 des Materialgemisches in der Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle auf. Die Strahlungsquelle ist derart eingerichtet, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert.
Das Verfahren weist weiterhin ein direktes oder indirektes Messen S3 des Brechungsindexes des Materialgemisches mittels einer Mess-Vorrichtung auf.
Das Verfahren weist (optional) weiterhin ein Erfassen S4 einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches mittels einer Auswerteeinheit.
Die elektromagnetische Strahlung eine Laserstrahlung ist.
Das Verfahren 500 kann ferner ein optisches Filtern der von der Strahlungsquelle emittierten, elektromagnetischen Strahlung aufweisen, so dass das Materialgemisch im Wesentlich nur von der elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge bestrahlt wird.
Das vorgegebene Material des Materialgemischs ist beispielsweise eines der folgenden Materialien: Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid.
Das Materialgemisch kann gasförmig sein, beispielsweise entspricht das Materialgemisch einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung.
Das Materialgemisch kann flüssig sein. Beispielsweise ist das Materialgemisch auf einer Oberfläche der Kammer, beispielsweise einem Probenhalter, adsorbiert. Die Mess-Vorrichtung ist in diesem Beispiel zum Messen des Brechungsindexes des adsorbierten Materialgemisches eingerichtet. Beispielsweise basiert die Mess-Vorrichtung auf einem Oberflächenplasmonenresonanzspektroskop. Das Messen S3 ist in diesem Beispiel Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie.
In einem Ausführungsbeispiel 1 ist ein Verfahren zum Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt. Das Verfahren weist mindestens ein teilweises Füllen einer Kammer mit dem Materialgemisch auf, wobei das Materialgemisch einen Brechungsindex und ein vorgegebenes Material aufweist. Das Verfahren weist weiterhin ein Bestrahlen des Materialgemisches in der Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle, wobei die Strahlungsquelle derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert. Das Verfahren weist weiterhin ein direktes oder indirektes Messen des Brechungsindexes des Materialgemisches mittels einer Mess-Vorrichtung auf.
In einem Ausführungsbeispiel 2 weist das Ausführungsbeispiel 1 optional ferner ein Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches bezüglich eines Referenzwerts mittels einer Auswerteeinheit auf.
In einem Ausführungsbeispiel 3 weist das Ausführungsbeispiel 1 oder 2 optional auf, dass die Kammer mit der Strahlungsquelle derart optisch gekoppelt ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch in der Kammer absorbierbar ist.
In einem Ausführungsbeispiel 4 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 3 optional auf, dass die Strahlungsquelle ein Laser oder eine Laser-Diode ist.
In einem Ausführungsbeispiel 5 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 4 optional ein optisches Filtern der von der Strahlungsquelle emittierbaren, elektromagnetischen Strahlung auf, wobei die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge durchgelassen, beispielsweise in der Intensität im Wesentlichen nicht verändert, wird die Transmission einer elektromagnetischen Strahlung mindestens einer weiteren Wellenlänge in Ihrer Intensität reduziert wird oder im Wesentlichen ganz blockiert wird.
In einem Ausführungsbeispiel 6 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 5 optional auf, dass das vorgegebene Material des Materialgemischs eines der folgenden Materialien ist: Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid.
In einem Ausführungsbeispiel 7 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 6 optional auf, dass das Materialgemisch gasförmig ist und das Materialgemisch einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung entspricht.
In einem Ausführungsbeispiel 8 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 7 optional auf, dass das Materialgemisch gasförmig ist und die Kammer einen Drucksensor aufweist, der eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen Materialgemisches in der Kammer zu erfassen.
In einem Ausführungsbeispiel 9 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 7 optional auf, dass das Materialgemisch flüssig ist und das Materialgemisch auf einer Oberfläche der Kammer adsorbiert ist und die Mess-Vorrichtung ist zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten Materialgemisches eingerichtet ist.
In einem Ausführungsbeispiel 10 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 9 optional auf, dass die Kammer ferner eine optische Kavität aufweist, die derart bezüglich der Strahlungsquelle in der Kammer ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität erfüllt und in die optische Kavität passiert.
In einem Ausführungsbeispiel 11 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 10 optional auf, dass die Mess-Vorrichtung eine weitere Strahlungsquelle aufweist, die zu einem Emittieren einer weiteren elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, wobei der Brechungsindex basierend auf der weiteren elektromagnetischen Strahlung gemessen wird. In einem Ausführungsbeispiel 12 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 11 optional auf, dass die Mess-Vorrichtung einen optischen Resonator, der positionsabhängig unterschiedliche Eigenfrequenzen für eine vorgegebene elektromagnetische Strahlung aufweist, und eine Fotodiode, die zum Erfassen der Position der elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Resonator angeordnet und eingerichtet ist, aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel 13 weist eines der Ausführungsbeispiele 1 bis 12 optional auf, dass die Mess-Vorrichtung eine der folgenden Vorrichtungen aufweist oder darauf basiert: ein Interferometer, ein Ellipsometer, ein Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer, ein Refraktometer.
In einem Ausführungsbeispiel 14 ist eine Vorrichtung zum Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt. Die Vorrichtung weist auf: eine Strahlungsquelle, die zum Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist, eine Kammer mit dem Materialgemisch, wobei das Materialgemisch einen Brechungsindex aufweist, und wobei das Materialgemisch ein vorgegebenes Material aufweist; wobei die Strahlungsquelle derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, und eine Mess-Vorrichtung zum Messen des Brechungsindexes des Materialgemisches.
In einem Ausführungsbeispiel 15 weist das Ausführungsbeispiel 14 optional auf, dass ferner eine Auswerteeinheit zum Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches in der Vorrichtung vorgesehen ist.
In einem Ausführungsbeispiel 16 weist eines der Ausführungsbeispiel 14 oder 15 optional auf, dass die Kammer mit der Strahlungsquelle derart optisch gekoppelt ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch in der Kammer absorbierbar ist.
In einem Ausführungsbeispiel 17 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 16 optional auf, dass die Strahlungsquelle ein Laser oder eine Laser-Diode ist.
In einem Ausführungsbeispiel 18 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 17 optional einen optischen Filter auf, der durchlässig für elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist und eingerichtet ist, die Transmission elektromagnetischer Strahlung mindestens einer weiteren Wellenlänge zu reduzieren oder zu blockieren.
In einem Ausführungsbeispiel 19 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 18 optional auf, dass das vorgegebene Material des Materialgemischs eines der folgenden Materialien ist: Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid.
In einem Ausführungsbeispiel 20 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 19 optional auf, dass das Materialgemisch gasförmig ist und das Materialgemisch einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung entspricht.
In einem Ausführungsbeispiel 21 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 20 optional auf, dass das Materialgemisch gasförmig ist und die Kammer einen Drucksensor aufweist, der eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen Materialgemisches in der Kammer zu erfassen.
In einem Ausführungsbeispiel 22 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 21 optional auf, dass das Materialgemisch flüssig ist und das Materialgemisch auf einer Oberfläche der Kammer adsorbiert ist und die Mess-Vorrichtung zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten Materialgemisches eingerichtet ist.
In einem Ausführungsbeispiel 23 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 22 optional auf, dass die Kammer ferner eine optische Kavität aufweist, die derart bezüglich der Strahlungsquelle in der Kammer ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität erfüllt und in die optische Kavität passiert.
In einem Ausführungsbeispiel 24 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 23 optional auf, dass die Mess-Vorrichtung eine weitere Strahlungsquelle aufweist, die zu einem Emittieren einer weiteren elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, wobei der Brechungsindex basierend auf der weiteren elektromagnetischen Strahlung gemessen wird.
In einem Ausführungsbeispiel 25 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 24 optional auf, dass die Mess-Vorrichtung einen optischen Resonator, der positionsabhängig unterschiedliche Eigenfrequenzen für eine vorgegebene elektromagnetische Strahlung aufweist, und eine Fotodiode, die zum Erfassen der Position der elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Resonator angeordnet und eingerichtet ist, aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel 26 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 25 optional auf, dass die Mess-Vorrichtung eine der folgenden Vorrichtungen aufweist oder darauf basiert: ein Interferometer, ein Ellipsometer, ein Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer, ein Refraktometer.
Bezugszeichenliste

100, 200: Vorrichtung
102: Strahlungsquelle
104: elektromagnetischer Strahlung
106: Kammer
108: optisches Fenster
110: Materialgemisch
112: Mess-Vorrichtung
114: Auswerteeinheit
116: Datenfluss
202: Probenhalter
302: optische Kavität
304: weitere Strahlungsquelle
306: Sensor
308: optischer Resonator
310: Aufsicht optischer Resonator
320: Seitenansicht optischer Resonator
312: erster Bereich
314: zweiter Bereich
402: Interferometer
500: Verfahren
S1, S2, S3, S4, S5 -: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren (500) zum Untersuchen eines Materialgemisches (110), das Verfahren (500) aufweisend: • mindestens ein teilweises Füllen (S1) einer Kammer (106) mit dem Materialgemisch (110), wobei das Materialgemisch (110) einen Brechungsindex und ein vorgegebenes Material aufweist; • ein Bestrahlen (S2) des Materialgemisches (110) in der Kammer (106) mit einer elektromagnetischen Strahlung (104) mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle (102), wobei die Strahlungsquelle (102) derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches (110) ist, das die elektromagnetische Strahlung (102) der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, und • ein direktes oder indirektes Messen (S3) des Brechungsindexes des Materialgemisches (110) mittels einer Mess-Vorrichtung (112).
Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Erfassen (S4) einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches (110) bezüglich eines Referenzwerts mittels einer Auswerteeinheit.
Vorrichtung (100, 200) zum Untersuchen eines Materialgemisches (110), die Vorrichtung (100, 200) aufweisend: • eine Strahlungsquelle (102), die zum Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung (104) mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist, • eine Kammer (106) mit dem Materialgemisch (110), • wobei das Materialgemisch (110) einen Brechungsindex aufweist, und wobei das Materialgemisch (110) ein vorgegebenes Material aufweist; • wobei die Strahlungsquelle (102) derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches (110) ist, das die elektromagnetische Strahlung (104) der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, und • eine Mess-Vorrichtung (112) zum Messen des Brechungsindexes des Materialgemisches (110).
Vorrichtung (100, 200) gemäß Anspruch 3, eine Auswerteeinheit (114) zum Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches (110) .
Vorrichtung (100, 200) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Kammer (106) mit der Strahlungsquelle (102) derart optisch gekoppelt ist, dass die elektromagnetische Strahlung (104) mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch (110) in der Kammer (106) absorbierbar ist.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Strahlungsquelle (102) ein Laser oder eine Laser-Diode ist.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner aufweisend einen optischen Filter, der durchlässig für elektromagnetische Strahlung (104) der vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist und eingerichtet ist, die Transmission elektromagnetischer Strahlung mindestens einer weiteren Wellenlänge reduziert oder blockiert.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das vorgegebene Material des Materialgemischs ein Material ist, aus der Gruppe der Materialien: • Sauerstoff, • Kohlenstoffdioxid, • Stickstoffoxid, • Stickstoffdioxid.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das Materialgemisch (110) gasförmig ist und das Materialgemisch (110) einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung (112) entspricht.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das Materialgemisch (110) gasförmig ist und die Kammer (106) einen Drucksensor aufweist, der eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen Materialgemisches (110) in der Kammer (106) zu erfassen.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das Materialgemisch (110) flüssig ist und das Materialgemisch (110) auf einer Oberfläche der Kammer (106) adsorbiert ist und die Mess-Vorrichtung (112) ist zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten Materialgemisches (110) eingerichtet ist.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 11, die Kammer (106) ferner aufweisend eine optische Kavität (302), die derart bezüglich der Strahlungsquelle (102) in der Kammer (106) ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (102) mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität erfüllt und in die optische Kavität (302) passiert.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei die Mess-Vorrichtung (112) eine weitere Strahlungsquelle (304) aufweist, die zu einem Emittieren einer weiteren elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, wobei der Brechungsindex basierend auf der weiteren elektromagnetischen Strahlung (104) gemessen wird.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 13, wobei die Mess-Vorrichtung (112) einen optischen Resonator (308), der positionsabhängig unterschiedliche Eigenfrequenzen für eine vorgegebene elektromagnetische Strahlung aufweist, und eine Fotodiode (306), die zum Erfassen der Position der elektromagnetischen Strahlung (104) in dem optischen Resonator(308) angeordnet und eingerichtet ist, aufweist.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 14, wobei die Mess-Vorrichtung (112) eine Vorrichtung (100, 200) aufweist oder darauf basiert, aus der Gruppe der Vorrichtungen: ein Interferometer; ein Ellipsometer; ein Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer, ein Refraktometer.