DE102018115420B4 - Device and method for detecting a substance - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (1) zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas miteinem Gasvolumen für das Gas, einer Pumplichtquelle, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Pumplichtquelle elektromagnetische Pumpstrahlung (13) mit einer Pumpwellenlänge erzeugt und die Pumpstrahlung (13) durch das Gasvolumen transmittiert wird,einer Abfragelichtquelle (8), die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Abfragelichtquelle (8) elektromagnetische Abfragestrahlung (14) mit einer Abfragewellenlänge erzeugt und die Abfragestrahlung (14) derart durch das Gasvolumen transmittiert wird, dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung (14) einen Strahlpfad der Pumpstrahlung (13) in dem Gasvolumen in mindestens einem Schnittpunkt schneidet, undeinem Detektor (9) für die Abfragestrahlung (14), wobei der Detektor (9) derart angeordnet ist, dass mit dem Detektor (9) eine Intensität der Abfragestrahlung (14) nach der Transmission durch das Gasvolumen erfassbar ist,wobei die Abfragewellenlänge von der Pumpwellenlänge verschieden ist,wobei die Pumplichtquelle und die Abfragelichtquelle (8) derart eingerichtet und angeordnet sind, dass die Abfragestrahlung (14) innerhalb des Gasvolumens eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung (14) senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung (14) und die Pumpstrahlung (13) schneiden, und mindestens einen ungestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung (14) und die Pumpstrahlung (13) nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem ungestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) und ein zweiter, aus dem gestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) auf dem Detektor zur Interferenz gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dassdie Vorrichtung (1) weiterhin einen für die Pumpstrahlung (13) resonanten Resonator (5', 5", 6', 6") aufweist, wobei der Schnittpunkt in dem Resonator (5', 5", 6', 6") angeordnet ist.Device (1) for detecting a substance in a gas with a gas volume for the gas, a pump light source, which is set up and arranged such that the pump light source generates electromagnetic pump radiation (13) with a pump wavelength and the pump radiation (13) is transmitted through the gas volume , an interrogation light source (8) which is set up and arranged such that the interrogation light source (8) generates electromagnetic interrogation radiation (14) with an interrogation wavelength and the interrogation radiation (14) is transmitted through the gas volume such that a beam path of the interrogation radiation (14) intersects a beam path of the pump radiation (13) in the gas volume in at least one intersection, and a detector (9) for the interrogation radiation (14), the detector (9) being arranged in such a way that with the detector (9) an intensity of the interrogation radiation ( 14) after transmission by the gas volume can be detected, the interrogation wavelength from the P umpwelle length is different, the pump light source and the interrogation light source (8) being set up and arranged such that the interrogation radiation (14) within the gas volume has a cross-sectional area perpendicular to the direction of the beam path of the interrogation radiation (14), which has at least one disturbed area, in which the interrogation radiation (14) and the pump radiation (13) intersect, and has at least one undisturbed area in which the interrogation radiation (14) and the pump radiation (13) do not intersect, so that a first part originating from the undisturbed area Interrogation radiation (14) and a second part of the interrogation radiation (14) originating from the disturbed area are brought to interference on the detector, characterized in that the device (1) furthermore has a resonator (5 ', 5 which is resonant for the pump radiation (13) ", 6 ', 6"), the intersection being arranged in the resonator (5', 5 ", 6 ', 6").

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas. Die Vorrichtung sowie das Verfahren können ferner auch zu Bestimmung einer Stoffkonzentration des Stoffes in dem Gas dienen. Die Vorrichtung wird im Folgenden auch als Sensor bezeichnet.The present invention relates to an apparatus and a method for detecting a substance in a gas. The device and the method can also be used to determine a substance concentration of the substance in the gas. The device is also referred to below as a sensor.

Für den Nachweis eines Stoffes müssen die dazu verwendeten Vorrichtungen und Verfahren eine hohe Sensitivität aufweisen. Insbesondere wenn es sich um sogenannte Spurengase handelt, die - bezogen auf das Gasvolumen - einen Volumenanteil im PPB bis PPT-Bereich (10-9-10-12) besitzen, sind besonders sensitive Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der Stoffkonzentration dieser Spurengase notwendig.The devices and methods used for the detection of a substance must be highly sensitive. Particularly when it comes to so-called trace gases, which - based on the gas volume - have a volume fraction in the PPB to PPT range (10 -9 -10 -12 ), particularly sensitive devices and methods for determining the substance concentration of these trace gases are necessary.

Der Nachweis von Spurengasen und die Bestimmung der Stoffkonzentration von Spurengasen findet in vielen Bereichen Anwendung, beispielsweise in der Analytik, der Medizintechnik und auch bei dem Aufspüren von Leckagen und Kontaminationen, z. B. bei der Überwachung sensibler Gasleitungssysteme.The detection of trace gases and the determination of the substance concentration of trace gases are used in many areas, for example in analytics, medical technology and also in the detection of leaks and contaminations, e.g. B. in the monitoring of sensitive gas piping systems.

Aus dem Stand der Technik sind Sensoren bekannt, bei denen zum Nachweis eines Spurengases bzw. zur Bestimmung der Stoffkonzentration von Spurengasen sogenannte Langwegzellen zum Einsatz kommen. Dabei wird eine Laserstrahlung, deren Wellenlänge einer Absorptionswellenlänge des zu bestimmenden Spurengases entspricht, über eine möglichst lange Interaktionslänge einer als Langwegzelle bezeichneten Gaszelle durch ein Gasvolumen transmittiert, so dass auf Basis des durch die Absorption bedingten Intensitätsverlusts des Laserstrahls auf die Konzentration des Spurengases rückgeschlossen werden kann.Sensors are known from the prior art, in which so-called long-path cells are used to detect a trace gas or to determine the substance concentration of trace gases. Laser radiation, the wavelength of which corresponds to an absorption wavelength of the trace gas to be determined, is transmitted over the longest possible interaction length of a gas cell called a long-path cell through a gas volume, so that the concentration of the trace gas can be inferred on the basis of the intensity loss of the laser beam caused by the absorption .

Alternativ können auch photothermische Verfahren wie beispielsweise die photothermische common-path Interferometrie (PCI) verwendet werden, um ein Spurengas nachzuweisen bzw. dessen Stoffkonzentration zu bestimmen.Alternatively, photothermal methods such as photothermal common-path interferometry (PCI) can also be used to detect a trace gas or to determine its substance concentration.

Im Zuge der voranschreitenden Digitalisierung und der damit verbundenen Miniaturisierung von Sensoren besteht ein hoher Bedarf an miniaturisierbaren Sensoren zum Nachweis von Spurengasen bzw. zur Bestimmung der Stoffkonzentration von Spurengasen. Mit miniaturisierten Sensoren könnten beispielsweise komplexe und sensible Gasleitungssysteme umfassender überwacht werden, da sich miniaturisierte Sensoren in vielen Bereichen solcher Systeme installieren lassen. Allerdings ist mit keinem der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bzw. mit keiner der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen eine Miniaturisierung auf sinnvolle Weise möglich.In the course of advancing digitization and the associated miniaturization of sensors, there is a high demand for miniaturizable sensors for the detection of trace gases or for determining the substance concentration of trace gases. With miniaturized sensors, for example, complex and sensitive gas pipe systems could be monitored more comprehensively, since miniaturized sensors can be installed in many areas of such systems. However, miniaturization in a meaningful manner is not possible with any of the methods known from the prior art or with any of the devices known from the prior art.

Das Prinzip von Sensoren mit Langwegzellen, bei denen der durch die Absorption durch Spurengase bedingte Intensitätsverlust einer Laserstrahlung gemessen wird, besteht gerade darin, dass für eine messbare Absorption extrem lange Interaktionslängen benötigt werden, so dass die minimal möglichen Abmessungen solcher Sensoren im Bereich von 10 cm3 liegen. Wünschenswert wären deutlich kleinere Abmessungen.The principle of sensors with long-path cells, in which the loss of intensity of a laser radiation due to the absorption by trace gases is measured, is that extremely long interaction lengths are required for a measurable absorption, so that the minimum possible dimensions of such sensors are in the range of 10 cm 3 lie. Significantly smaller dimensions would be desirable.

Bei den photothermischen Verfahren ist eine Miniaturisierung der verwendeten Sensoren bisher nicht möglich, da für diese Verfahren sehr leistungsstarke Laserquellen benötigt werden. Die Abmessungen leistungsstarker Laserquellen sind wiederum deutlich größer als die gewünschte maximale Abmessung. Zudem sind leistungsstarke Laserquellen sehr teuer.With the photothermal processes, miniaturization of the sensors used has not yet been possible, since very powerful laser sources are required for these processes. The dimensions of powerful laser sources are in turn significantly larger than the desired maximum dimension. Powerful laser sources are also very expensive.

Aus der Offenlegungsschrift DE 103 39 709 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung lokaler und momentaner Temperatur in einem gasförmigen Fluid bekannt. Hierbei wird ein in ein Fluid kleinräumig eingeschriebenes Brechungsindexgitter geringer Lebensdauer verwendet, um lokal die momentane Schallgeschwindigkeit zu messen. Aus dieser Schallgeschwindigkeit wird nach den Gesetzen der Thermodynamik die lokale Fluidtemperatur berechnet. Das induzierte Gitter wird im Schnittbereich zweier gekreuzter kohärenter Laserlichtbündel eines Pulslasers mit hinreichend geringer Pulsdauer erzeugt. Ein auf das Gitter eingestrahlter kontinuierlicher Tastlaserstrahl wird nach dem Braggschen Gesetz teilweise abgelenkt. Die Frequenz seiner Ablenkung wird gemessen und steht im Zusammenhang mit der lokalen und momentanen Temperatur des Fluids.From the published application DE 103 39 709 A1 a method and a device for measuring local and instantaneous temperature in a gaseous fluid is known. Here, a refractive index grating with a short life span inscribed in a fluid over a small space is used to locally measure the instantaneous speed of sound. The local fluid temperature is calculated from this speed of sound according to the laws of thermodynamics. The induced grating is generated in the intersection of two crossed coherent laser light beams of a pulse laser with a sufficiently short pulse duration. A continuous scanning laser beam radiated onto the grating is partially deflected according to Bragg's law. The frequency of its deflection is measured and is related to the local and instantaneous temperature of the fluid.

Die Offenlegungsschrift DE 103 39 709 A1 offenbart ein optisches Messsystem und Verfahren zur Gasdetektion, welches einen Lichtemitter und mindestens einen Lichtdetektor in mindestens einem Gehäuse angeordnet umfasst. Der Lichtemitter emittiert einen modulierten Hauptlichtstrahl der Wellenlänge λ0 mit einer Modulationsspanne Δλ. Zwischen dem Lichtemitter und dem Lichtdetektor ist mindestens eine optomechanische Komponente angeordnet. Diese optomechanische Komponente weist optisch wirksame Grenzflächen auf und bewirkt Streulichtstrahlen, die mit dem Hauptlichtstrahl interferieren, sodass Self-Mixing auftritt und/oder Etalons verursacht werden. Somit umfasst das Messsignal des Detektors einen Hauptsignalanteil und einen unerwünschten Störsignalanteil. Die mindestens eine optomechanische Komponente wird relativ zu dem Lichtemitter und/oder dem Lichtdetektor in einem optimierten Abstand angeordnet, welcher von der Wellenlänge λ0 und der Modulationsspanne Δλ des Hauptlichtstrahls abhängig ist. Durch den speziell gewählten Abstand wird erreicht, dass der Effekt der Streulichtstrahlen auf das demodulierte Signal minimiert ist, was zu einer Erhöhung der Sensorsensitivität führt.The disclosure DE 103 39 709 A1 discloses an optical measuring system and method for gas detection, which comprises a light emitter and at least one light detector arranged in at least one housing. The light emitter emits a modulated main light beam of wavelength λ0 with a modulation span Δλ. At least one optomechanical component is arranged between the light emitter and the light detector. This optomechanical component has optically effective interfaces and causes scattered light beams that interfere with the main light beam, so that self-mixing occurs and / or etalons are caused. The measurement signal of the detector thus comprises a main signal component and an undesired interference signal component. The at least one optomechanical component is arranged relative to the light emitter and / or the light detector at an optimized distance, which is of the wavelength λ0 and the modulation range Δλ of the main light beam is dependent. The specially selected distance ensures that the effect of the scattered light rays on the demodulated signal is minimized, which leads to an increase in sensor sensitivity.

In der Offenlegungsschrift DE 38 04 134 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen der Konzentration eines Fremdgases in einem Gasgemisch unter Nutzung eines Moires beschrieben. Es wird ein optischer Gassensor genutzt, bei dem ein Lichtstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt wird. Der eine Strahl wird durch das Gasgemisch und der andere Strahl wird durch ein Referenzgas geführt. Anschließend werden beide Strahlen wieder zusammengeführt. Die Veränderung der optischen Dichte des Gasgemisches mit der Fremdgaskonzentration wird aus einem Vergleich der beim Zeeman-Effekt auftretenden Schwebungsfrequenz des Lichts ermittelt. Hierzu wird der Laufzeitunterschied des Lichts zwischen Gasgemisch und Referenzgas zur Bildung eines, allein von der Fremdgaskonzentration abhängigen, Interferenzgitters benutzt und dieses einem vorgegebenen Phasengitter überlagert. Dadurch entsteht ein Moire, dessen Struktur von einer Detektorvorrichtung mit mehreren Lichtwellenleitern aufgenommen wird. Die aufgenommenen Lichtintensitäten werden über ein Lichtwellenleiterkabel einer Auswerteelektronik zugeführt.In the published application DE 38 04 134 A1 describes a method and a device for measuring the concentration of a foreign gas in a gas mixture using a moire. An optical gas sensor is used in which a light beam is divided into two beams. One jet is led through the gas mixture and the other jet is led through a reference gas. Then both beams are brought together again. The change in the optical density of the gas mixture with the foreign gas concentration is determined from a comparison of the beat frequency of the light occurring in the Zeeman effect. For this purpose, the difference in the transit time of the light between the gas mixture and the reference gas is used to form an interference grating which is dependent solely on the foreign gas concentration, and this is superimposed on a predetermined phase grating. This creates a moiré, the structure of which is recorded by a detector device with several optical fibers. The recorded light intensities are fed to evaluation electronics via an optical fiber cable.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochsensitive, d.h. nachweisempfindliche, miniaturisierbare und gleichzeitig kostengünstige Vorrichtung bzw. ein hochsensitives, kostengünstiges und eine Miniaturisierung einer verwendeten Vorrichtung erlaubendes Verfahren zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas bzw. Bestimmen einer Stoffkonzentration eines Stoffes in einem Gas bereitzustellen, die bzw. das die genannten Probleme löst oder zumindest verringert.It is therefore an object of the present invention to provide a highly sensitive, i.e. to provide detection-sensitive, miniaturizable and at the same time inexpensive device or a highly sensitive, inexpensive and miniaturization of a device used method for detecting a substance in a gas or determining a substance concentration of a substance in a gas that solves or at least solves the problems mentioned decreased.

Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.At least one of these tasks is solved by a device according to claim 1 and by a method according to claim 12.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas mit einem Gasvolumen für das Gas, einer Pumplichtquelle, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Pumplichtquelle elektromagnetische Pumpstrahlung mit einer Pumpwellenlänge erzeugt und die Pumpstrahlung durch das Gasvolumen transmittiert wird, einer Abfragelichtquelle, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Abfragelichtquelle elektromagnetische Abfragestrahlung mit einer Abfragewellenlänge erzeugt und die Abfragestrahlung derart durch das Gasvolumen transmittiert wird, dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung einen Strahlpfad der Pumpstrahlung in dem Gasvolumen in mindestens einem Schnittpunkt schneidet, und einem Detektor für die Abfragestrahlung, wobei der Detektor derart angeordnet ist, dass mit dem Detektor eine Intensität der Abfragestrahlung nach der Transmission durch das Gasvolumen erfassbar ist, wobei die Abfragewellenlänge von der Pumpwellenlänge verschieden ist, wobei die Abfragestrahlung innerhalb des Gasvolumens eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung schneiden, und mindestens einen ungestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem ungestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung und ein zweiter, aus dem gestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung auf dem Detektor zur Interferenz gebracht werden. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung weiterhin einen für die Pumpstrahlung resonanten Resonator auf, wobei der Schnittpunkt in dem Resonator angeordnet ist.The device according to the invention is a device for detecting a substance in a gas with a gas volume for the gas, a pump light source, which is set up and arranged in such a way that the pump light source generates electromagnetic pump radiation with a pump wavelength and transmits the pump radiation through the gas volume an interrogation light source that is set up and arranged such that the interrogation light source generates electromagnetic interrogation radiation with an interrogation wavelength and the interrogation radiation is transmitted through the gas volume such that a beam path of the interrogation radiation intersects a beam path of the pump radiation in the gas volume at at least one intersection point, and a detector for the interrogation radiation, the detector being arranged such that the detector can detect an intensity of the interrogation radiation after transmission through the gas volume, the interrogation wavelength of d he pump wavelength is different, the interrogation radiation within the gas volume having a cross-sectional area perpendicular to the direction of the beam path of the interrogation radiation, which has at least one disturbed area in which the interrogation radiation and the pump radiation intersect, and at least one undisturbed area in which the Do not intersect interrogation radiation and the pump radiation, so that a first part of the interrogation radiation originating from the undisturbed area and a second part of the interrogation radiation originating from the disturbed area are brought to interference on the detector. According to the invention, the device furthermore has a resonator which is resonant for the pump radiation, the intersection point being arranged in the resonator.

Punkte, die in dem gestörten Bereich enthalten sind, sind Schnittpunkte.Points contained in the disturbed area are intersection points.

Unter einem Gas ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere auch ein Gasgemisch zu verstehen, das sich aus unterschiedlichen Stoffen zusammensetzt. Unter einem Gasvolumen ist das Volumen zu verstehen, das von einem Gas bzw. Gasgemisch eingenommen wird.For the purposes of the present invention, a gas is also to be understood in particular as a gas mixture which is composed of different substances. A gas volume is to be understood as the volume that is occupied by a gas or gas mixture.

Unter einem Detektor ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Detektor zum Erfassen einer Intensität einer elektromagnetischen Strahlung zu verstehen. Zum Beispiel Photodioden oder CCD-Kameras können als Detektoren verwendet werden.In the context of the present invention, a detector is to be understood as a detector for detecting an intensity of an electromagnetic radiation. For example, photodiodes or CCD cameras can be used as detectors.

Aus Gründen der Anschaulichkeit wird in der folgenden Beschreibung der Begriff Spurengas äquivalent zu dem Begriff Stoff verwendet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist allerdings nicht auf den Nachweis von Spurengasen bzw. die Bestimmung der Stoffkonzentration von Spurengasen beschränkt, sondern umfasst den Nachweis jedweden Stoffes bzw. die Bestimmung der Stoffkonzentration jedweden Stoffes, der in einem Gas vorkommen kann.For the sake of clarity, the term trace gas equivalent to the term substance is used in the following description. However, the device according to the invention is not limited to the detection of trace gases or the determination of the substance concentration of trace gases, but rather comprises the detection of any substance or the determination of the substance concentration of any substance that can occur in a gas.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Gasvolumens in einem für die Pumpstrahlung resonanten Resonator wird die Leistung der Pumplichtquelle effizienter genutzt als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen. Dadurch kann beispielsweise ein Laser mit einer geringen oder einer durchschnittlichen Ausgangsleistung als Pumplichtquelle verwendet werden. Solche Laser haben deutlich kleinere räumliche Abmessungen als die im Stand der Technik sonst für diese Zwecke verwendeten leistungsstarken Laser. Somit kann eine Miniaturisierung des Spurengassensors bei gleichbleibender Sensitivität des Sensors verwirklicht werden.As a result of the arrangement of the gas volume in a resonator resonant for the pump radiation, the power of the pump light source is used more efficiently than in the devices known from the prior art. As a result, for example, a laser with a low or an average output power can be used as the pump light source. Such lasers have significantly smaller spatial dimensions than the powerful lasers otherwise used in the prior art for these purposes. Thus a Miniaturization of the trace gas sensor can be realized while maintaining the sensitivity of the sensor.

Laser mit geringer oder mittlerer Leistung sind zudem auch kostengünstig verfügbar. Durch die erfindungsgemäße, überraschenderweise besonders einfache Lösung können Spurengassensoren mit Abmessungen < 1 cm3 gefertigt werden, die dennoch eine derartig hohe Sensitivität aufweisen, so dass auch Stoffe mit einem relativen Volumenanteil von 10-12 erfassbar sind.Low or medium power lasers are also available at low cost. The surprisingly particularly simple solution according to the invention makes it possible to manufacture trace gas sensors with dimensions of <1 cm 3 , which nevertheless have such a high sensitivity that substances with a relative volume fraction of 10 -12 can also be detected.

Darüber hinaus ist der Detektor unabhängig von der Pumpstrahlung. Durch alleinige Variation der Pumpstrahlung können daher unterschiedliche Wellenlängen und folglich unterschiedliche Stoffe erfasst bzw. deren Stoffkonzentrationen bestimmt werden.In addition, the detector is independent of the pump radiation. By simply varying the pump radiation, different wavelengths and consequently different substances can therefore be detected or their substance concentrations can be determined.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch als photothermisches Common-path-Interferometer bezeichnet werden, bei dem das Gasvolumen erfindungsgemäß innerhalb eines für die Pumpstrahlung resonanten Resonators angeordnet ist.The device according to the invention can also be referred to as a photothermal common-path interferometer, in which the gas volume is arranged according to the invention within a resonator which is resonant for the pump radiation.

Bei einem photothermischen Common-path-Interferometer wird das betreffende Gasvolumen mit der Pumpstrahlung bestrahlt, deren Wellenlänge einer Absorptionswellenlänge des zu bestimmenden Spurengases entspricht. Entweder kollinear oder unter einem definierten Winkel zur Pumplaserstrahlung wird dann die Abfragestrahlung durch das zu messende Gasvolumen transmittiert, so dass sich die Pumpstrahlung und die Abfragestrahlung innerhalb des Gasvolumens schneiden, d.h. überlappen.In the case of a photothermal common-path interferometer, the gas volume in question is irradiated with the pump radiation, the wavelength of which corresponds to an absorption wavelength of the trace gas to be determined. The interrogation radiation is then transmitted either collinearly or at a defined angle to the pump laser radiation, so that the pump radiation and the interrogation radiation intersect within the gas volume, i.e. overlap.

Unter einer Absorptionswellenlänge eines Gases ist jede Wellenlänge zu verstehen, bei welcher derAbsorptionswirkungsquerschnitt des Gases ein lokales Maximum aufweist. Unter einer Absorptionswellenlänge sind darüber hinaus auch die Wellenlängen zu verstehen, bei denen der Absorptionswirkungsquerschnitt in der näheren spektralen Umgebung eines lokalen Maximums im Vergleich zum Grundniveau des Absorptionswirkungsquerschnitts erhöht ist. Mit anderen Worten, auch Wellenlängen, deren spektrale Lage mit der Flanke eine Peaks des Absorptionswirkungsquerschnitts korrespondieren, stellen zusätzlich zu den Wellenlängen, deren spektrale Lage mit einem lokalen Maximum - der Spitze des Peaks - des Absorptionswirkungsquerschnitts korrespondiert, Absorptionswellenlängen im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.An absorption wavelength of a gas is to be understood to mean any wavelength at which the absorption cross section of the gas has a local maximum. An absorption wavelength is also to be understood as the wavelengths at which the absorption cross section in the closer spectral environment of a local maximum is increased compared to the basic level of the absorption cross section. In other words, wavelengths whose spectral position corresponds to a flank of the absorption cross section represent, in addition to the wavelengths whose spectral position corresponds to a local maximum - the peak of the absorption cross section - absorption wavelengths in the sense of the present invention.

Durch die von den Spurengasen verursachte Absorption der Pumpstrahlung wird das Gas erwärmt. Die Stärke der Erwärmung kann anhand der Intensität der durch das Gasvolumen transmittierten und hinter dem Ort der Erwärmung erfassten Abfragestrahlung bestimmt werden. Kommt es in Folge von Absorption zu einer thermischen Erwärmung innerhalb des Gases in dem Bereich der Pumpstrahlung und somit zu einer Brechungsindexänderung im Bereich der Pumpstrahlung, so wird eine thermische Linse ausgebildet. Die Abfragestrahlung wird in dem Bereich, in dem sich Abfragestrahlung und Pumpstrahlung überlappen, gestört. Für die photothermische Common-path-Interferometrie muss die Abfragestrahlung derart ausgebildet sein, dass die Abfragestrahlung in einer zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung senkrechten Querschnittsfläche sowohl einen gestörten als auch einen ungestörten Bereich aufweist. Dadurch entstehen in einer Querschnittsfläche ein gestörter und ein ungestörter Abfragestrahl, wobei der gestörte Strahlungsteil einen anderen Brechungsindex erfährt als der ungestörte Strahlungsanteil.The gas is heated by the absorption of the pump radiation caused by the trace gases. The strength of the heating can be determined on the basis of the intensity of the interrogation radiation transmitted through the gas volume and detected behind the location of the heating. If, as a result of absorption, there is thermal heating within the gas in the area of the pump radiation and thus a change in refractive index in the area of the pump radiation, a thermal lens is formed. The interrogation radiation is disturbed in the area in which interrogation radiation and pump radiation overlap. For photothermal common-path interferometry, the interrogation radiation must be designed in such a way that the interrogation radiation has both a disturbed and an undisturbed area in a cross-sectional area perpendicular to the direction of the beam path of the interrogation radiation. This results in a disturbed and an undisturbed interrogation beam in a cross-sectional area, the disturbed radiation part experiencing a different refractive index than the undisturbed radiation part.

Der gestörte Strahlungsteil der Abfragestrahlung besitzt im Vergleich zum ungestörten Strahlungsteil, der sich aus dem Teil der Abfragestrahlung ergibt, der innerhalb der Querschnittsfläche nicht mit der Pumpstrahlung überlappt, eine Phasenverschiebung. Da allerdings sowohl die ungestörte als auch die gestörte Abfragestrahlung aus derselben Lichtquelle bzw. demselben ursprünglichen Lichtbündel entstammen, sind die beiden Strahlungen kohärent zueinander. Somit kommt es durch die Phasenverschiebung zur Interferenzbildung. Daraus resultierende Interferenzmuster können in einem gewissen Abstand zum Gasvolumen von einem Intensitätsdetektor bestimmt werden. Aus den Interferenzstrukturen, aber auch bereits aus der Intensität eines Helligkeitsmaximums der Interferenzstruktur kann wiederum auf die Temperaturerhöhung bzw. die Absorption innerhalb des Gasvolumens geschlossen werden, woraus wiederum das Vorhandensein bzw. die Stoffkonzentration des Spurengases bestimmt werden kann.The disturbed radiation part of the interrogation radiation has a phase shift compared to the undisturbed radiation part which results from the part of the interrogation radiation which does not overlap with the pump radiation within the cross-sectional area. However, since both the undisturbed and the disturbed interrogation radiation originate from the same light source or the same original light beam, the two radiations are coherent with one another. Thus, the phase shift leads to interference formation. Interference patterns resulting from this can be determined at a certain distance from the gas volume by an intensity detector. From the interference structures, but also from the intensity of a maximum brightness of the interference structure, the temperature increase or the absorption within the gas volume can again be inferred, from which the presence or the substance concentration of the trace gas can in turn be determined.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abfragelichtquelle ein Laser und die Abfragestrahlung wird mit einem fokussierenden Element derart auf den Detektor fokussiert, dass der mindestens eine Schnittpunkt auf den Detektor abgebildet wird. Dadurch wird der Schnittbereich von Abfragestrahlung und Pumpstrahlung scharf auf den Detektor abgebildet. Ohne eine solche Fokussierung kann die Interferenz im Femfeld verschmieren, was eine Detektion erschwert. Unter einem fokussierenden Element ist beispielweise eine Linse oder ein Objektiv zu verstehen.In a preferred embodiment, the interrogation light source is a laser and the interrogation radiation is focused on the detector with a focusing element in such a way that the at least one intersection point is imaged on the detector. As a result, the intersection of interrogation radiation and pump radiation is imaged sharply on the detector. Without such focusing, the interference can smear in the far field, which makes detection difficult. A focusing element is to be understood as a lens or an objective, for example.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein Gasbehälter für das Gas vorgesehen, wobei der Gasbehälter das Gasvolumen begrenzt. Ein solcher Gasbehälter ermöglicht ist, bestimmte Gas-Proben bei im Wesentlichen gleichbleibenden Rand- und Umgebungsbedingungen (Flussgeschwindigkeit, Dichte, etc.) zu untersuchen.In a further embodiment, a gas container for the gas is provided, the gas container limiting the gas volume. Such a gas container enables certain gas samples to be examined under essentially constant boundary and environmental conditions (flow rate, density, etc.).

Unter einem Gasbehälter ist im Sinne der vorliegenden Erfindung jede ein Gasvolumen eingrenzende Einrichtung zu verstehen. Die vorliegende Erfindung umfasst daher sowohl Ausführungsformen mit Gasbehälter als auch Ausführungsformen ohne Gasbehälter. Bei Spurengassensoren, die Spurengase in der Erdatmosphäre detektieren sollen, handelt es sich oft um Ausführungsformen ohne gesonderten Gasbehälter. Das Atmosphärengas - die Luft - durchströmt dabei jeden über eine offene Verbindung mit der Umgebung verbundenen freien Raum des Sensors. Das Gasvolumen wird daher dabei nicht von einer gesonderten Einrichtung begrenzt. For the purposes of the present invention, a gas container is to be understood as any device that limits a gas volume. The present invention therefore includes both embodiments with a gas container and embodiments without a gas container. Trace gas sensors which are intended to detect trace gases in the earth's atmosphere are often embodiments without a separate gas container. The atmospheric gas - the air - flows through every free space of the sensor connected to the environment via an open connection. The gas volume is therefore not limited by a separate device.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform begrenzt der Gasbehälter ein Gasvolumen, das kleiner als 10 cm3, bevorzugt kleiner als 1 cm3 und besonders bevorzugt keiner als 0,1 cm3 ist. Eine dementsprechend miniaturisierte Vorrichtung kann auf vorteilhafte Weise zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen eines Spurengases an vielen Orten und insbesondere an besonders unzugänglichen Orten verwendet werden.According to a particularly preferred embodiment, the gas container limits a gas volume which is less than 10 cm 3 , preferably less than 1 cm 3 and particularly preferably none than 0.1 cm 3 . A correspondingly miniaturized device can advantageously be used for determining substance concentrations of a trace gas at many locations and in particular at particularly inaccessible locations.

Bei Ausführungsformen ohne Gasbehälter nimmt die gesamte Vorrichtung vorzugsweise ein Volumen von weniger als 10 cm3, besonders bevorzugt weniger als 1 cm3 und am besten weniger als 0,1 cm3 ein.In embodiments without a gas container, the entire device preferably occupies a volume of less than 10 cm 3 , particularly preferably less than 1 cm 3 and most preferably less than 0.1 cm 3 .

In einer weiteren Ausführungsform ist ein aktives Verstärkermedium in dem Resonator für die Pumpstrahlung angeordnet, so dass die Pumpstrahlung verstärkt wird. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise die Effizienz der Vorrichtung erhöht, da die Pumpstrahlung nicht nur resonant überhöht wird, sondern auch aktiv innerhalb des Resonators verstärkt wird. Als aktives Verstärkungsmedium kommt beispielsweise eine Halbleiterdiode, ein Quantenkaskadenlaser oder ein Interbandkaskadenlaser in Frage. Bei dieser Ausführungsform bildet die Kombination aus aktivem Verstärkermedium und Resonator die Pumplichtquelle. Durch die resonante Überhöhung innerhalb des Resonators entsteht dabei eine Laserstrahlung als Pumpstrahlung.In a further embodiment, an active amplifier medium is arranged in the resonator for the pump radiation, so that the pump radiation is amplified. This advantageously increases the efficiency of the device since the pump radiation is not only increased resonantly, but is also actively amplified within the resonator. A semiconductor diode, a quantum cascade laser or an interband cascade laser can be considered as the active gain medium. In this embodiment, the combination of active amplifier medium and resonator forms the pump light source. The resonant elevation within the resonator creates laser radiation as pump radiation.

Alternativ kann allerdings auch eine von dem Resonator unabhängige und beabstandete Pumplichtquelle vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung einen Laser aufweisen, der eine Pumpstrahlung erzeugt, die dann in den - von dem Laser prinzipiell unabhängigen - Resonator eingekoppelt wird. Die Pumplichtquelle ist in diesem Fall eine externe Pumplichtquelle.Alternatively, however, a pump light source that is independent of and spaced from the resonator can also be provided. For example, the device can have a laser that generates pump radiation, which is then coupled into the resonator, which is basically independent of the laser. In this case, the pump light source is an external pump light source.

Ein Vorteil der Miniaturisierung besteht prinzipiell darin, dass eine Vielzahl von Sensoren an vielen unterschiedlichen Orten/Positionen verwendet und dadurch ein umfassenderes Bild des Ist-Zustands eines Systems abgebildet werden kann, so dass möglichst schnell und effizient auf Änderungen des Systems - z.B. einen ungewünschten Austritt eines Gases - reagiert werden kann, um die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Prozessen und Vorrichtungen zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil der Miniaturisierung besteht darin, dass eine Vorrichtung sehr einfach mobil eingesetzt werden kann.One advantage of miniaturization is that a large number of sensors are used in many different locations / positions and a more comprehensive picture of the current status of a system can be displayed, so that changes to the system can be made as quickly and efficiently as possible - e.g. an unwanted gas leak - can be reacted to increase the safety and economy of processes and devices. Another advantage of miniaturization is that a device can be used very easily in a mobile manner.

In einer Ausführungsform ist die Pumplichtquelle ein Dauerstrichlaser. Dauerstrichlaser sind besonders preiswert kommerziell erhältlich. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Resonator wird der Einsatz eines preiswerten Dauerstrichlasers bei einem photothermischen Detektionsverfahren aber erst ermöglicht, da aufgrund des Resonators nicht zwingend Laser mit hoher Ausgangsleistung verwendet werden müssen, um die notwendige Sensitivität des Sensors zu bewirken.In one embodiment, the pump light source is a continuous wave laser. Continuous wave lasers are commercially available at particularly low cost. The device according to the invention with the resonator enables the use of an inexpensive continuous wave laser in a photothermal detection method, however, since lasers with a high output power do not necessarily have to be used due to the resonator in order to bring about the necessary sensitivity of the sensor.

Alternativ können als Pumplichtquelle aber auch schnell gepulste quasi-cw Laser oder langsam gepulste, auf die direkte Modulation des von dem Detektor empfangenen Signals gerichtete Laser zum Einsatz kommen.Alternatively, however, quickly pulsed quasi-cw lasers or slowly pulsed lasers directed to the direct modulation of the signal received by the detector can be used as the pump light source.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Pumplichtquelle derart ausgebildet, dass die Pumpwellenlänge einstellbar ist. Dies ist vorteilhaft, da durch die Einstellbarkeit eine Vorrichtung zum Nachweis unterschiedlicher Spurengase bzw. zur Bestimmung der Stoffkonzentration unterschiedlicher Spurengase verwendet werden kann. Zu diesem Zweck muss nur eine jeweilige Absorptionswellenlänge des Spurengases eingestellt werden, für das der Nachweis erbracht bzw. die Stoffkonzentration bestimmt werden soll. Eine solche Absorptionswellenlänge ist eine Wellenlänge, die einem Peak, d.h. einem lokalen Maximum oder einer Peak-Flanke, des Absorptionswirkungsquerschnitts des Stoffes, zugeordnet ist.In a further embodiment, the pump light source is designed such that the pump wavelength can be adjusted. This is advantageous because the adjustability means that a device for detecting different trace gases or for determining the substance concentration of different trace gases can be used. For this purpose, it is only necessary to set a respective absorption wavelength of the trace gas for which the proof is to be provided or the substance concentration is to be determined. Such an absorption wavelength is a wavelength which corresponds to a peak, i.e. is assigned to a local maximum or a peak flank, the absorption cross section of the substance.

In einer Ausführungsform weist die Pumplichtquelle eine Modulationseirichtung auf, die so ausgestaltet und angeordnet ist, dass mit der Modulationseinrichtung zumindest ein Parameter der Pumpstrahlung, insbesondere die Intensität oder die Wellenlänge der Pumpstrahlung, mit einer Referenzfrequenz modulierbar ist, so dass die Erfassung der Abfragestrahlung beispielsweise mit einem auf die Referenzfrequenz gelockten Lock-in-Verstärker erfolgen kann.In one embodiment, the pump light source has a modulation device which is designed and arranged such that at least one parameter of the pump radiation, in particular the intensity or the wavelength of the pump radiation, can be modulated with a reference frequency using the modulation device, so that the detection of the interrogation radiation can be carried out, for example a lock-in amplifier locked to the reference frequency.

Durch die Modulationseinrichtung wird die durch das Spurengas absorbierte Leistung periodisch mit der Referenzfrequenz moduliert. Entsprechend weist die von dem Detektor erfasste Intensität der Abfragestrahlung ebenfalls eine Modulation mit der Referenzfrequenz auf. Dies ist vorteilhaft, da damit eine Separation des zu bestimmenden Intensitätssignals von ebenfalls vorhandenen Störsignalen ermöglicht wird. Folglich verbessert sich durch die Modulationseinrichtung die Sensitivität der Vorrichtung. Zur Separation kann beispielswiese ein mit dem Detektor verbundenes Bandpassfilter mit einer schmalen Bandbreite, dessen Zentralfrequenz der Referenzfrequenz entspricht, oder ein auf die Referenzfrequenz gelockter Lock-in-Verstärker verwendet werden. Alternativ kann eine dementsprechende Filterung auch im Zuge einer digitalen Signalverarbeitung des Intensitätssignals erfolgen.The modulation device periodically modulates the power absorbed by the trace gas at the reference frequency. Accordingly, the intensity of the interrogation radiation detected by the detector also has a modulation with the reference frequency. This is advantageous because it enables the intensity signal to be determined to be separated from interference signals that are also present. Hence, improves through the modulation device the sensitivity of the device. For separation, a bandpass filter with a narrow bandwidth, the central frequency of which corresponds to the reference frequency, or a lock-in amplifier locked to the reference frequency can be used, for example. Alternatively, corresponding filtering can also take place in the course of digital signal processing of the intensity signal.

Die Modulationseinrichtung ist in einer Ausführungsform ein mechanischer Chopper oder ein Treiber für den Strom der Laserdiode. Eine Modulationseinrichtung kann aber auch in einer Einrichtung zur Einstellung der Länge des Resonators bestehen. Es kann sich bei der Modulationseinrichtung auch um einen MEMS-Spiegel, einen EOM (Elektro-optischer Modulator) oder AOM (Akusto-optischer Modulator) handeln. Ferner kann eine Modulation auch durch einen als Pumplichtquelle ausgebildeten gepulsten Laser bewirkt werden, sodass in diesem Fall die Pumplichtquelle selber die Modulationseinrichtung darstellt.In one embodiment, the modulation device is a mechanical chopper or a driver for the current of the laser diode. A modulation device can also consist of a device for adjusting the length of the resonator. The modulation device can also be a MEMS mirror, an EOM (electro-optical modulator) or AOM (acoustic-optical modulator). Furthermore, a modulation can also be effected by a pulsed laser designed as a pump light source, so that in this case the pump light source itself represents the modulation device.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Pumplichtquelle eine Modulationseinrichtung auf, welche in dem Resonator angeordnet ist und welche die Pumpstrahlung derart moduliert, dass die Pumpwellenlänge mit einer Referenzfrequenz zwischen einer minimalen und einer maximalen Pumpwellenlänge variiert. Dabei ist vorzugsweise die Absorptionsfrequenz des zu erfassenden Stoffes größer oder gleich der minimale Pumpwellenlänge und kleiner oder gleich der maximalen Pumpwellenlänge. Die Modulation der Pumpwellenlänge ist besonders vorteilhaft in einer Ausführungsform, in welcher der Gasbehälter in dem Laserresonator des die Pumplichtquelle bildenden Lasers angeordnet ist, da eine Intensitätsmodulation die Stabilität des Lasers deutlich stärker beeinflusst als die Wellenlängenmodulation.In a further embodiment, the pump light source has a modulation device which is arranged in the resonator and which modulates the pump radiation in such a way that the pump wavelength varies with a reference frequency between a minimum and a maximum pump wavelength. The absorption frequency of the substance to be detected is preferably greater than or equal to the minimum pump wavelength and less than or equal to the maximum pump wavelength. The modulation of the pump wavelength is particularly advantageous in an embodiment in which the gas container is arranged in the laser resonator of the laser forming the pump light source, since intensity modulation influences the stability of the laser significantly more than the wavelength modulation.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine mit dem Detektor über eine zur Datenübertragung geeigneten Verbindung verbundene Rechnereinheit vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass sie aus der von dem Detektor erfassten Intensität der Abfragestrahlung den Nachweis des Stoffes bzw. die Stoffkonzentration des Stoffes bestimmt. Die Rechnereinheit ist bevorzugt zusammen mit den anderen Bestandteilen der Vorrichtung ausgebildet, so dass die Vorrichtung inklusive Rechnereinheit einen räumlich abgeschlossenen Sensor bildet, der die Stoffkonzentration des Stoffes als digitales Signal ausgibt bzw. auf einer digitalen oder analogen Anzeigeeinrichtung anzeigt oder auf sonstige Weise kundtut, z.B. als Datenpaket an einen Server sendet. Die Rechnereinheit kann aber auch von den restlichen Elementen der Vorrichtung beabstandet angeordnet sein und über ein Datenkabel oder eine kabellose Datenverbindung mit dem Detektor verbunden sein.In a preferred embodiment, a computer unit connected to the detector via a connection suitable for data transmission is provided, which is designed such that it determines the detection of the substance or the substance concentration of the substance from the intensity of the interrogation radiation detected by the detector. The computer unit is preferably designed together with the other components of the device, so that the device including the computer unit forms a spatially closed sensor which outputs the substance concentration of the substance as a digital signal or displays it on a digital or analog display device or otherwise expresses it, e.g. sends as a data packet to a server. However, the computer unit can also be arranged at a distance from the remaining elements of the device and can be connected to the detector via a data cable or a wireless data connection.

Beansprucht wird auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Spurengasen mit einer maximalen Messungenauigkeit bei einer Messung des Volumenanteil von 10-9 oder weniger. Die maximale Messungenauigkeit entspricht dabei dem minimal detektierbaren Volumenanteil. Beispielsweise finden bei einem Volumenanteil eines Spurengases von 10-9 oder weniger bisher nur Vorrichtungen Anwendung, die nicht in dem Maße miniaturisierbar sind wie die vorliegende erfindungsgemäße Vorrichtung. Somit findet die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere in Bereichen mit einer hohen Anforderung an die Sensitivität Anwendung.Use of a device according to the invention for measuring trace gases with a maximum measurement inaccuracy when measuring the volume fraction of 10 -9 or less is also claimed. The maximum measurement inaccuracy corresponds to the minimum detectable volume fraction. For example, with a volume fraction of a trace gas of 10 -9 or less, only devices have been used so far that cannot be miniaturized to the extent that the device according to the invention is. Thus, the device according to the invention is used in particular in areas with high sensitivity requirements.

Unter einer hohen Sensitivität eines Sensors ist im Sinne der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft eines Sensors zu verstehen, wonach Stoffe mit einem Volumenanteil von 10-9 oder weniger von dem Sensor erkannt werden können.For the purposes of the present invention, a high sensitivity of a sensor is to be understood as the property of a sensor, according to which substances with a volume fraction of 10 -9 or less can be recognized by the sensor.

Darüber hinaus findet die erfindungsgemäße Vorrichtung auch Verwendung zum Aufspüren von Leckagen und Kontaminationen. Insbesondere bei komplexen Gasleitungssystemen kann mit miniaturisierten Sensoren, die beispielsweise jeweils nur ein Volumen von < 1 cm3 einnehmen, ein umfassendes und vollständiges Abbild des Ist-Zustands der Spurengasverteilung im Bereich um die Gasleitungen erstellt werden. Dies wird erst durch die Miniaturisierbarkeit des erfindungsgemäßen Sensors ermöglicht.In addition, the device according to the invention is also used to detect leaks and contaminations. Particularly in the case of complex gas line systems, miniaturized sensors, which for example each only have a volume of <1 cm 3 , can be used to create a comprehensive and complete picture of the current state of the trace gas distribution in the area around the gas lines. This is only made possible by the miniaturization of the sensor according to the invention.

Zudem umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas mit folgenden Schritten:

  1. a) Erzeugen einer elektromagnetischen Pumpstrahlung mit einer Pumpwellenlänge,
  2. b) Erzeugen einer elektromagnetischen Abfragestrahlung mit einer Abfragewellenlänge, die von der Pumpwellenlänge verschieden ist,
  3. c) Bestrahlen des Gases mit der Pumpstrahlung und der Abfragestrahlung, so dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung einen Strahlpfad der Pumpstrahlung in dem Gas in mindestens einem Schnittpunkt derart schneidet, dass die Abfragestrahlung innerhalb des Gasbehälters eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung schneiden, und mindestens einen ungestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem ungestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung und ein zweiter, aus dem gestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung miteinander interferieren,
  4. d) Erfassen einer Intensität der Abfragestrahlung, nachdem die Abfragestrahlung mit dem Gas wechselgewirkt hat,
  5. e) Nachweisen des Stoffes aus der in Schritt d) erfassten Intensität der Abfragestrahlung, wobei das Verfahren erfindungsgemäß weiterhin den Schritt aufweist:
  6. f) Resonantes Überhöhen der Pumpstrahlung mit einem Resonator, wobei der Schnittpunkt in dem Resonator angeordnet ist.
The present invention also includes a method for detecting a substance in a gas, comprising the following steps:
  1. a) generating an electromagnetic pump radiation with a pump wavelength,
  2. b) generating an electromagnetic interrogation radiation with an interrogation wavelength that is different from the pump wavelength,
  3. c) irradiating the gas with the pump radiation and the interrogation radiation, so that a beam path of the interrogation radiation intersects a beam path of the pump radiation in the gas in at least one intersection such that the interrogation radiation within the gas container has a cross-sectional area perpendicular to the direction of the beam path of the interrogation radiation, which has at least one disturbed area in which the interrogation radiation and the pump radiation intersect and has at least one undisturbed area in which the interrogation radiation and pump radiation do not intersect, so that a first part of the interrogation radiation originating from the undisturbed area and a second part interferes with part of the interrogation radiation originating from the disturbed area,
  4. d) detecting an intensity of the interrogation radiation after the interrogation radiation has interacted with the gas,
  5. e) detection of the substance from the intensity of the interrogation radiation detected in step d), the method according to the invention further comprising the step:
  6. f) resonant elevation of the pump radiation with a resonator, the intersection being arranged in the resonator.

Bevorzugt werden die Verfahrensschritte a) bis e) in einer zeitlichen Reihenfolge durchgeführt, die der Reihenfolg der Auflistung a) bis e) entspricht.The method steps a) to e) are preferably carried out in a chronological order which corresponds to the order of the listing a) to e).

In einer Ausführungsform weist das Verfahren zusätzlich einen Schritt g) auf, der nach Schritt d) erfolgt:

  • g) Bestimmen der Stoffkonzentration des Stoffes aus der in Schritt d) erfassten Intensität der Abfragestrahlung,
In one embodiment, the method additionally has a step g) which takes place after step d):
  • g) determining the substance concentration of the substance from the intensity of the interrogation radiation recorded in step d),

In einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Stoff einen für die Absorption von elektromagnetischer Strahlung wellenlängenabhängigen Absorptionswirkungsquerschnitt und eine Absorptionswellenlänge auf, wobei der Absorptionswirkungsquerschnitt als Funktion der Wellenlänge bei der Absorptionswellenlänge ein Maximum aufweist, wobei die Pumpwellenlänge gleich der Absorptionswellenlänge ist. Die Wellenlänge des Pumplasers soll folglich bei dieser Ausführungsform gerade so gewählt werden, dass sie einer Wellenlänge entspricht, bei der ein lokales Maximum des Absorptionswirkungsquerschnitts des Stoffes besteht. Bevorzugt wird allerdings die Absorptionswellenlänge eines Stoffes gewählt, für die der Wirkungsquerschnitt maximal ist, d. h. ein globales Maximum aufweist.In one embodiment of the method, the substance has an absorption cross-section that is wavelength-dependent for the absorption of electromagnetic radiation and an absorption wavelength, the absorption cross-section as a function of the wavelength having a maximum at the absorption wavelength, the pump wavelength being equal to the absorption wavelength. In this embodiment, the wavelength of the pump laser should consequently be chosen so that it corresponds to a wavelength at which there is a local maximum of the absorption cross section of the substance. However, the absorption wavelength of a substance is preferably selected for which the cross section is maximum, i. H. has a global maximum.

In einer Ausführungsform weist das Verfahren zusätzlich oder alternativ zu Schritt g) die Schritte auf:

  • h) Variieren der Pumpwellenlänge mit einer Referenzfrequenz in einem Bereich von einer minimalen bis zu einer maximalen Pumpwellenlänge, wobei eine Absorptionswellenlänge des Gases größer oder gleich der minimalen und kleiner oder gleich der maximalen Pumpwellenlänge ist,
  • i) Bestimmen eines die Referenzfrequenz aufweisenden Teilsignals aus der in Schritt d) erfassten Intensität.
In one embodiment, the method has the steps in addition or as an alternative to step g):
  • h) varying the pump wavelength with a reference frequency in a range from a minimum to a maximum pump wavelength, an absorption wavelength of the gas being greater than or equal to the minimum and less than or equal to the maximum pump wavelength,
  • i) determining a partial signal having the reference frequency from the intensity recorded in step d).

Mit diesen Schritten wird der zu erfassenden Intensität die Referenzfrequenz aufgeprägt. Dadurch lässt sich die zu erfassende Intensität, welche das Nutzsignal darstellt, besonders einfach von in der Regel ebenfalls vorhandenen Störsignalen separieren. Somit wird die Sensitivität des Verfahrens weiter verbessert.With these steps, the reference frequency is impressed on the intensity to be recorded. As a result, the intensity to be recorded, which represents the useful signal, can be separated particularly easily from interference signals which are generally also present. This further improves the sensitivity of the method.

Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Pumpstrahlung eine optische Leistung besitzt, die größer ist als eine optische Leistung der Abfragestrahlung, da die Pumpstrahlung deutlich mehr Leistung benötigt als die Abfragestrahlung, um die notwendige Absorption im Gas zu bewirken.In addition, it is advantageous if the pump radiation has an optical power that is greater than an optical power of the interrogation radiation, since the pump radiation requires significantly more power than the interrogation radiation in order to bring about the necessary absorption in the gas.

Darüber hinaus kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ zu den Schritten h) und i) die folgenden weiteren Schritte umfassen:

  • j) Vergleichen der in Schritt g) bestimmten Stoffkonzentration mit einem Grenzwert und
  • k) Auslösen eines Warnsignals, falls das in Schritt h) durchgeführte Vergleichen zeigt, dass die Stoffkonzentration über dem Grenzwert liegt.
In addition, or alternatively to steps h) and i), the method can include the following further steps:
  • j) comparing the substance concentration determined in step g) with a limit value and
  • k) triggering a warning signal if the comparison carried out in step h) shows that the substance concentration is above the limit value.

Diese Verfahrensschritte j) und k) sind bevorzugt als computerimplementiertes Verfahren ausgebildet. Dadurch kann ein automatisierter Prozess zur Überwachung von Grenzwerten verwirklicht werden.These method steps j) and k) are preferably designed as a computer-implemented method. This enables an automated process for monitoring limit values to be implemented.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der zugehörigen Figuren. Es zeigt:

  • 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Gasbehälter,
  • 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Gasbehälter.
Further advantages, features and possible uses of the present invention will become clear from the following description of preferred embodiments and the associated figures. It shows:
  • 1 a first embodiment of the device according to the invention with gas container,
  • 2nd a second embodiment of the device according to the invention without a gas container.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, bei der das Prinzip der photothermischen Common-path-Interferometrie verwendet wird. Zunächst wird dabei eine Pumpstrahlung 13 mittels eines Laser mit einem aktiven Verstärkungsmedium 10, hier einer Laserdiode, und einem aus den Spiegeln 5', 5", 6' und 6" bestehenden Resonator erzeugt. In der hier gezeigten Ausführungsform sind alle Resonatorspiegel 5', 5", 6', 6" hochreflektierend, so dass im Resonator die maximal mögliche Leistung zur Verfügung steht. Zwischen dem Spiegel 5' und dem Spiegel 5" ist die Pumpstrahlung folglich „gefangen“. 1 shows a device according to the invention 1 , which uses the principle of photothermal common-path interferometry. First, there is a pump radiation 13 using a laser with an active gain medium 10th , here a laser diode, and one from the mirrors 5 ' , 5 " , 6 ' and 6 " existing resonator generated. In the embodiment shown here, all resonator mirrors 5 ' , 5 " , 6 ' , 6 " highly reflective, so that the maximum possible power is available in the resonator. Between the mirror 5 ' and the mirror 5 " the pump radiation is therefore “trapped”.

Ein Gasbehälter 2 ist nun innerhalb des Resonators in der Nähe des zweiten Endspiegels 5" angeordnet, so dass die im Resonator oszillierende Pumpstrahlung 13 durch den Gasbehälter 2 transmittiert wird. Zu diesem Zweck weist der Gasbehälter 2 an seinen beiden zur Pumpstrahlung 13 ausgerichteten Flanken für die Pumpstrahlung 13 transmittierende und unter dem Brewster-Winkel angeordnete Trennwände 4 auf.A gas container 2nd is now inside the resonator near the second end mirror 5 " arranged so that the pump radiation oscillating in the resonator 13 through the gas tank 2nd is transmitted. For this purpose, the gas container 2nd on his two for pump radiation 13 aligned edges for the pump radiation 13 Transmitting partitions arranged at the Brewster angle 4th on.

Ist die Wellenlänge der Pumpstrahlung 13 nun derart gewählt, dass sie gleich einer Absorptionswellenlänge eines Stoffes, der Bestandteil des sich in dem Gasbehälter 2 befindlichen Gases ist, so absorbiert der Stoff im Gasbehälter 2 die Pumpstrahlung 13 im Bereich des Strahlpfades der Pumpstrahlung 13. Im Bereich des Strahlpfades der Pumpstrahlung 13 wird das Gas durch die Absorption erwärmt. Diese Temperaturerhöhung hängt dabei auf bekannte und bestimmbare Weise von der Absorptionsrate des absorbierenden Stoffes und somit von der Stoffkonzentration dieses Stoffes in dem Gasgemisch ab. Is the wavelength of the pump radiation 13 now chosen such that it is equal to an absorption wavelength of a substance that is part of the gas container 2nd gas, the substance is absorbed in the gas container 2nd the pump radiation 13 in the area of the beam path of the pump radiation 13 . In the area of the beam path of the pump radiation 13 the gas is heated by absorption. This increase in temperature depends in a known and determinable manner on the absorption rate of the absorbent substance and thus on the substance concentration of this substance in the gas mixture.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt nun genau darin, dass der Gasbehälter 2 mit dem Gasgemisch innerhalb des Resonators 5', 5", 6', 6" angeordnet ist. Somit kann mit einem vergleichsweise geringen primären Energieaufwand eine hohe Leistung der Pumpstrahlung 13 in dem Gasbehälter erreicht werden, so dass bereits kleinste Mengen an Stoffen, d.h. kleine Stoffkonzentrationen innerhalb des Gases, ausreichen, damit es zu einer messbaren Absorption und Temperaturerhöhung kommt.The advantage of this arrangement is precisely that the gas container 2nd with the gas mixture inside the resonator 5 ' , 5 " , 6 ' , 6 " is arranged. A high output of the pump radiation can thus be achieved with a comparatively low primary energy expenditure 13 can be reached in the gas container so that even the smallest amounts of substances, ie small substance concentrations within the gas, are sufficient for measurable absorption and an increase in temperature.

Die Absorption und Temperaturerhöhung wird - wie in 1 - gezeigt mittels einer Abfragestrahlung (photothermisches Common-path-Interferometrie-Prinzip) erfasst.The absorption and temperature increase - as in 1 - shown by means of interrogation radiation (photothermal common path interferometry principle) recorded.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform wird unter einem Winkel 15 zur Pumpstrahlung 13 eine Abfragestrahlung 14 durch den Gasbehälter 2 transmittiert. Der Gasbehälter 2 weist zu diesem Zweck für die Abfragestrahlung transmittierende und unter dem Brewster-Winkel für die Abfragewellenlänge angeordnete Trennwände 3 auf. Zudem ist die Abfragestrahlung 14 derart ausgebildet und ausgerichtet, dass im Schnittbereich 11 mit der Pumpstrahlung 13 und über die zur Strahlrichtung senkrechte Querschnittsfläche betrachtet die Pumpstrahlung 13 nur teilweise die Querschnittsfläche der Abfragestrahlung 14 schneidet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Querschnittsfläche der Pumpstrahlung 13 im Schnittbereich 11 von Pumpstrahlung 13 und Abfragestrahlung 14 in dem Gasbehälter kleiner als die Querschnittsfläche der Abfragestrahlung 14. Im Profilquerschnitt der Abfragestrahlung 14 senkrecht zur Strahlrichtung existiert somit ein Bereich, in dem die Abfragestrahlung 14 die Pumpstrahlung 13 schneidet (gestörter Bereich), und ein Bereich, in dem dies nicht der Fall ist (ungestörter Bereich). In dem Bereich, in dem die Abfragestrahlung 14 die Pumpstrahlung 13 schneidet, erfährt die Abfragestrahlung 14 durch die durch die Pumpstrahlung 13 verursachte Temperaturerhöhung des Gases einen anderen Brechungsindex als außerhalb dieses Bereichs. Die Abfragestrahlung 14 erfährt über den Strahlquerschnitt hinweg unterschiedliche Phasenverschiebungen, es kommt zur Ausbildung einer thermischen Linse. Daraus resultiert ein aus dem gestörten Bereich stammender gestörter Teil der Abfragestrahlung und aus dem ungestörten Bereich stammender ungestörter Teil der Abfragestrahlung.At the in 1 embodiment shown is at an angle 15 for pump radiation 13 an interrogation radiation 14 through the gas tank 2nd transmitted. The gas tank 2nd has for this purpose for the interrogation radiation transmitting and arranged at the Brewster angle for the interrogation wavelength 3rd on. In addition, the interrogation radiation 14 designed and aligned in such a way that in the cutting area 11 with the pump radiation 13 and viewed over the cross-sectional area perpendicular to the beam direction, the pump radiation 13 only partially the cross-sectional area of the interrogation radiation 14 cuts. In the illustrated embodiment, the cross-sectional area is the pump radiation 13 in the cutting area 11 of pump radiation 13 and interrogation radiation 14 in the gas container is smaller than the cross-sectional area of the interrogation radiation 14 . In the profile cross section of the interrogation radiation 14 perpendicular to the beam direction there is an area in which the interrogation radiation 14 the pump radiation 13 intersects (disturbed area), and an area where this is not the case (undisturbed area). In the area where the interrogation radiation 14 the pump radiation 13 cuts, the interrogation radiation experiences 14 through through the pump radiation 13 caused the temperature rise of the gas to have a different refractive index than outside this range. The interrogation radiation 14 experiences different phase shifts across the beam cross-section, a thermal lens is formed. This results in a disturbed part of the interrogation radiation originating from the disturbed area and an undisturbed part of the interrogation radiation originating in the undisturbed area.

Durch die Phasenverschiebung zwischen gestörtem und ungestörtem Strahlungsteil kommt es daher im weiteren Verlauf zu einer Interferenzbildung. Dies bedeutet, dass das Strahlungsprofil in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Abfragestrahlung Helligkeitsmaxima und -minima aufweist. Die Intensität eines Helligkeitsmaximums oder die Intensitäten eines Teils der so entstehenden Interferenzstruktur werden mit einem Photodetektor 9 erfasst.The phase shift between the disturbed and undisturbed radiation part therefore leads to interference formation in the further course. This means that the radiation profile has brightness maxima and minima in a plane perpendicular to the direction of propagation of the interrogation radiation. The intensity of a brightness maximum or the intensities of part of the interference structure thus created are measured with a photodetector 9 detected.

Aus der erfassten Intensität bzw. den erfassten Intensitäten kann nun der Effekt der thermischen Linse und damit die Temperaturerhöhung des Gases und die der Temperaturerhöhung zugrunde liegende Absorptionsrate innerhalb des Gases bestimmt werden. Aus der Absorptionsrate wird wiederum die Stoffkonzentration des Stoffes bestimmt, der für die Absorption der Pumpstrahlung 13 verantwortlich ist, d.h. der eine Absorptionswellenlänge besitzt, die der Wellenlänge der Pumpstrahlung 13 entspricht.The effect of the thermal lens and thus the temperature increase of the gas and the absorption rate within the gas on which the temperature increase is based can now be determined from the detected intensity or intensities. From the absorption rate, the substance concentration of the substance is determined, which is used for the absorption of the pump radiation 13 is responsible, ie has an absorption wavelength that the wavelength of the pump radiation 13 corresponds.

Der Pumplaser weist zusätzlich einen Wellenlängenmodulator 7 auf, mit dem die Wellenlänge der Pumpstrahlung 13 variiert und moduliert wird. Die Modulation der Pumpwellenlänge erfolgt mit einer Referenzfrequenz in einem Bereich von einer minimalen Wellenlänge bis zu einer maximalen Wellenlänge. Liegt nun eine Absorptionswellenlänge des zu erfassenden Stoffes in diesem Bereich, so weist auch die Intensität der von dem Detektor 9 erfassten Abfragestrahlung 14 eine Modulation mit der Referenzfrequenz auf. Das Signal des Detektors 9 wird mit Hilfe eines auf die Referenzfrequenz gelockten Lock-in-Verstärkers gefiltert. Somit lässt sich das gewünschte Nutzsignal, welches eine Modulation mit der Referenzfrequenz aufweist, besser von ggf. vorhandenen Störsignalen trennen.The pump laser also has a wavelength modulator 7 with which the wavelength of the pump radiation 13 is varied and modulated. The pump wavelength is modulated with a reference frequency in a range from a minimum wavelength to a maximum wavelength. If an absorption wavelength of the substance to be detected now lies in this range, the intensity also indicates that of the detector 9 interrogated radiation 14 modulation with the reference frequency. The signal from the detector 9 is filtered using a lock-in amplifier locked to the reference frequency. The desired useful signal, which has a modulation with the reference frequency, can thus be better separated from any interference signals that may be present.

2 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der kein Gasbehälter vorliegt. Das Gasvolumen befindet sich hierbei zumindest in dem von dem Kreis K markierten Abschnitt. 2nd shows an embodiment of the present invention in which there is no gas container. The gas volume is at least in that of the circle K marked section.

Zudem besteht der Resonator (5', 5") ausschließlich aus zwei gegenüberliegend angeordneten Spiegeln 5' und 5" und ist demnach einfacherer ausgestaltet als bei der in 1 gezeigten Ausführungsform. Darüber hinaus besitzen alle in 2 gezeigten Elemente die gleichen Eigenschaften und Funktionen wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform.In addition, the resonator ( 5 ' , 5 " ) exclusively from two mirrors arranged opposite each other 5 ' and 5 " and is therefore simpler than in 1 shown embodiment. In addition, all in 2nd elements shown the same properties and functions as in the in 1 shown embodiment.

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 the purposes of the original disclosure, it is pointed out that all of the features that are apparent to a person skilled in the art from the present description, the drawings and the claims, even if they have only been described concretely in connection with certain further features, both individually and in any combinations can be combined with other of the features or groups of features disclosed here, unless this has not been expressly excluded or technical circumstances make such combinations impossible or senseless. The comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is only omitted here for the sake of brevity and legibility.

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, this illustration and description is merely exemplary and is not intended to limit the scope of 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 bestimmte 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.Modifications to 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 "have" does not exclude other elements or steps, and the particular article "a" or "an" does not exclude a plurality. The mere fact that certain features are claimed in different claims does not preclude their combination. Reference signs in the claims are not intended to limit the scope.

BezugszeichenlisteReference list

11
Vorrichtung/SensorDevice / sensor
22nd
Gasbehältergas tank
33rd
Abfragestrahlung transmittierende Trennwand des Gasbehälters 2 Interrogation radiation transmitting partition of the gas container 2nd
44th
Pumpstrahlung transmittierende Trennwand des Gasbehälters 2 Partition wall of the gas container that transmits pump radiation 2nd
5', 5"5 ', 5 "
flacher Endspiegelflat end mirror
6', 6"6 ', 6 "
HohlspiegelConcave mirror
77
WellenlängenmodulatorWavelength modulator
88th
AbfragelichtquelleInterrogation light source
99
Detektordetector
1010th
Aktives VerstärkermediumActive amplifier medium
1111
SchnittbereichCutting area
1212th
Linse, fokussierendes ElementLens, focusing element
1313
PumpstrahlungPump radiation
1414
AbfragestrahlungInterrogation radiation
1515
Winkelangle
KK
Kreiscircle

Claims (15)

Vorrichtung (1) zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas mit einem Gasvolumen für das Gas, einer Pumplichtquelle, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Pumplichtquelle elektromagnetische Pumpstrahlung (13) mit einer Pumpwellenlänge erzeugt und die Pumpstrahlung (13) durch das Gasvolumen transmittiert wird, einer Abfragelichtquelle (8), die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Abfragelichtquelle (8) elektromagnetische Abfragestrahlung (14) mit einer Abfragewellenlänge erzeugt und die Abfragestrahlung (14) derart durch das Gasvolumen transmittiert wird, dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung (14) einen Strahlpfad der Pumpstrahlung (13) in dem Gasvolumen in mindestens einem Schnittpunkt schneidet, und einem Detektor (9) für die Abfragestrahlung (14), wobei der Detektor (9) derart angeordnet ist, dass mit dem Detektor (9) eine Intensität der Abfragestrahlung (14) nach der Transmission durch das Gasvolumen erfassbar ist, wobei die Abfragewellenlänge von der Pumpwellenlänge verschieden ist, wobei die Pumplichtquelle und die Abfragelichtquelle (8) derart eingerichtet und angeordnet sind, dass die Abfragestrahlung (14) innerhalb des Gasvolumens eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung (14) senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung (14) und die Pumpstrahlung (13) schneiden, und mindestens einen ungestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung (14) und die Pumpstrahlung (13) nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem ungestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) und ein zweiter, aus dem gestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) auf dem Detektor zur Interferenz gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) weiterhin einen für die Pumpstrahlung (13) resonanten Resonator (5', 5", 6', 6") aufweist, wobei der Schnittpunkt in dem Resonator (5', 5", 6', 6") angeordnet ist.Device (1) for detecting a substance in a gas with a gas volume for the gas, a pump light source, which is set up and arranged such that the pump light source generates electromagnetic pump radiation (13) with a pump wavelength and transmits the pump radiation (13) through the gas volume an interrogation light source (8), which is set up and arranged such that the interrogation light source (8) generates electromagnetic interrogation radiation (14) with an interrogation wavelength and the interrogation radiation (14) is transmitted through the gas volume such that a beam path of the interrogation radiation (14 ) intersects a beam path of the pump radiation (13) in the gas volume in at least one intersection, and a detector (9) for the interrogation radiation (14), the detector (9) being arranged in such a way that an intensity of the Interrogation radiation (14) after transmission can be detected by the gas volume, the interrogation wavelength of d he pump wavelength is different, the pump light source and the interrogation light source (8) being set up and arranged such that the interrogation radiation (14) within the gas volume has a cross-sectional area perpendicular to the direction of the beam path of the interrogation radiation (14), which has at least one disturbed area, in which the interrogation radiation (14) and the pump radiation (13) intersect and has at least one undisturbed area in which the interrogation radiation (14) and the pump radiation (13) do not intersect, so that a first part originating from the undisturbed region the interrogation radiation (14) and a second part of the interrogation radiation (14) originating from the disturbed area are brought to interference on the detector, characterized in that the device (1) furthermore has a resonator (5 ') which is resonant for the pump radiation (13). , 5 ", 6 ', 6"), the intersection being arranged in the resonator (5', 5 ", 6 ', 6"). Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragelichtquelle (8) ein Laser ist und die Abfragestrahlung (14) mit einem fokussierenden Element derart auf den Detektor fokussiert wird, dass der mindestens eine Schnittpunkt auf dem Detektor (9) abgebildet wird.Device (1) according to Claim 1 , characterized in that the interrogation light source (8) is a laser and the interrogation radiation (14) is focused on the detector with a focusing element such that the at least one intersection point is imaged on the detector (9). Vorrichtung (1) gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasbehälter (2) für das Gas vorgesehen ist, wobei der Gasbehälter (2) das Gasvolumen begrenzt. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a gas container (2) is provided for the gas, the gas container (2) limiting the gas volume. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Gasbehälter begrenzte Gasvolumen nicht größer als 10 cm3, bevorzugt nicht größer als 1 cm3 und besonders bevorzugt nicht größer als 0,1 cm3 ist.Device (1) according to Claim 3 , characterized in that the gas volume delimited by the gas container is not larger than 10 cm 3 , preferably not larger than 1 cm 3 and particularly preferably not larger than 0.1 cm 3 . Vorrichtung (1) gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktives Verstärkermedium (10) in dem Resonator (5', 5", 6', 6") angeordnet ist, so dass die Pumpstrahlung (13) verstärkt wird.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an active amplifier medium (10) is arranged in the resonator (5 ', 5 ", 6', 6"), so that the pump radiation (13) is amplified. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle ein Dauerstrichlaser ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the pump light source is a continuous wave laser. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle derart ausgebildet ist, dass die Pumpwellenlänge einstellbar ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the pump light source is designed such that the pump wavelength is adjustable. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationseinrichtung vorgesehen ist, die in dem Resonator angeordnet ist und die derart die Pumpstrahlung moduliert, dass die Pumpwellenlänge mit einer Referenzfrequenz in einem Bereich von einer minimalen bis zu einer maximalen Pumpwellenlänge variiert.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a modulation device is provided which is arranged in the resonator and which modulates the pump radiation such that the pump wavelength varies with a reference frequency in a range from a minimum to a maximum pump wavelength . Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Detektor über eine zur Datenübertragung geeignete Verbindung verbundene Rechnereinheit vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass sie aus der von dem Detektor (9) erfassten Intensität der Abfragestrahlung (14) den Nachweis des Stoffes bzw. die Stoffkonzentration des Stoffes bestimmt.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a computer unit is provided which is connected to the detector via a connection suitable for data transmission and is designed such that it is based on the intensity of the interrogation radiation (14) detected by the detector (9) ) determines the detection of the substance or the substance concentration of the substance. Verwendung einer Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Messung von Spurengasen mit einer maximalen Messungenauigkeit bei einer Messung eines Volumenanteils von 10-9 oder weniger, wobei die maximale Messungenauigkeit dem minimal detektierbaren Volumenanteil entspricht.Use of a device (1) according to one of the Claims 1 to 9 for measuring trace gases with a maximum measurement inaccuracy when measuring a volume fraction of 10 -9 or less, the maximum measurement inaccuracy corresponding to the minimum detectable volume fraction. Verwendung einer Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Aufspüren von Leckagen und Kontaminationen.Use of a device (1) according to one of the Claims 1 to 9 to detect leaks and contamination. Verfahren zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas mit folgenden Schritten: a) Erzeugen einer elektromagnetischen Pumpstrahlung (13) mit einer Pumpwellenlänge, b) Erzeugen einer elektromagnetischen Abfragestrahlung (14) mit einer Abfragewellenlänge, die von der Pumpwellenlänge verschieden ist, c) Bestrahlen des Gases mit der Pumpstrahlung (13) und der Abfragestrahlung (14), so dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung (14) einen Strahlpfad der Pumpstrahlung (13) in dem Gas derart in mindestens einem Schnittpunkt schneidet, dass die Abfragestrahlung (14) innerhalb des Gasvolumens eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung (14) senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung (14) und die Pumpstrahlung (13) schneiden, und mindestens einen ungestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung (14) und die Pumpstrahlung (13) nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem ungestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) und ein zweiter, aus dem gestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) miteinander interferieren, d) Erfassen einer Intensität der Abfragestrahlung (14), nachdem die Abfragestrahlung (14) mit dem Gas wechselgewirkt hat, e) Nachweisen des Stoffes aus der in Schritt d) erfassten Intensität der Abfragestrahlung (14), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin den Schritt aufweist: f) Resonantes Überhöhen der Pumpstrahlung (13) mit einem Resonator (5', 5", 6', 6"), wobei der Schnittpunkt in dem Resonator (5', 5", 6', 6") angeordnet ist.Method for detecting a substance in a gas, comprising the following steps: a) generating an electromagnetic pump radiation (13) with a pump wavelength, b) generating an electromagnetic interrogation radiation (14) with a query wavelength that is different from the pump wavelength, c) irradiating the gas with the pump radiation (13) and the interrogation radiation (14), so that a beam path of the interrogation radiation (14) intersects a beam path of the pump radiation (13) in the gas in at least one intersection such that the interrogation radiation (14) within the gas volume is one Direction of the beam path of the interrogation radiation (14) has a perpendicular cross-sectional area which has at least one disturbed area in which the interrogation radiation (14) and the pump radiation (13) intersect and has at least one undisturbed area in which the interrogation radiation (14) and do not cut the pump radiation (13), so that a first st from the undisturbed area interfering part of the interrogation radiation (14) and a second part of the interrogation radiation (14) originating from the disturbed area, d) detecting an intensity of the interrogation radiation (14) after the interrogation radiation (14) has interacted with the gas, e) Detecting the substance from the intensity of the interrogation radiation (14) recorded in step d), characterized in that the method further comprises the step: f) resonant elevation of the pump radiation (13) with a resonator (5 ', 5 ", 6', 6 "), the intersection point being arranged in the resonator (5 ', 5", 6', 6 "). Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin den Schritt aufweist g) Bestimmen der Stoffkonzentration des Stoffes aus der in Schritt d) erfassten Intensität der Abfragestrahlung (14).Procedure according to Claim 12 , characterized in that the method further comprises the step g) determining the substance concentration of the substance from the intensity of the interrogation radiation (14) detected in step d). Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff einen für die Absorption von elektromagnetischer Strahlung wellenlängenabhängigen Absorptionswirkungsquerschnitt und eine Absorptionswellenlänge aufweist, wobei der Absorptionswirkungsquerschnitt als Funktion der Wellenlänge bei der Absorptionswellenlänge ein Maximum aufweist, wobei die Pumpwellenlänge gleich der Absorptionswellenlänge ist.Procedure according to Claim 12 or 13 , characterized in that the substance has a wavelength-dependent absorption cross section for the absorption of electromagnetic radiation and an absorption wavelength, the absorption cross section as a function of the wavelength at the absorption wavelength having a maximum, the pump wavelength being equal to the absorption wavelength. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist h) Variieren der Pumpwellenlänge mit einer Referenzfrequenz in einem Bereich von einer minimalen bis zu einer maximalen Pumpwellenlänge, wobei eine Absorptionswellenlänge des Gases größer oder gleich der minimalen und kleiner oder gleich der maximalen Pumpwellenlänge ist, i) Filtern eines mit der Referenzfrequenz modulierten Teilsignals aus der in Schritt d) erfassten Intensität.Method according to one of the Claims 12 to 14 , characterized in that the method further comprises the steps h) varying the pump wavelength with a reference frequency in a range from a minimum to a maximum pump wavelength, wherein an absorption wavelength of the gas is greater than or equal to the minimum and less than or equal to the maximum pump wavelength, i) filtering a partial signal modulated with the reference frequency from the intensity recorded in step d).
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