DE102018117642B4 - System for wavelength-dependent spectroscopy and method for evaluating measurement signals in wavelength-modulated spectroscopy - Google Patents

System for wavelength-dependent spectroscopy and method for evaluating measurement signals in wavelength-modulated spectroscopy Download PDF

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Abstract

System (10) für die wellenlängenmodulierte Spektroskopie, insbesondere für die Absorptions- und Emissionsspektroskopie, umfassend eine Signalauswerteeinrichtung (12) mit einem Signaleingang (58), eine Mischeinrichtung (56) und einen Lokaloszillator (42) zum Erzeugen eines zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals, welche Mischeinrichtung (56) mit dem Signaleingang (58) und dem Lokaloszillator (42) gekoppelt ist zum Erzeugen eines zeitabhängigen Demodulations-Signals durch Mischen eines am Signaleingang (58) anliegenden zeitabhängigen Eingangs-Signals und des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator ausgebildet (42) ist zum Erzeugen des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals in Form einer zeitabhängigen trigonometrischen Funktion, welche durch additive Überlagerung von mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen gebildet ist, und dass der Lokaloszillator (42) ausgebildet ist zum Vorgeben der Amplitude und der Phase jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen.System (10) for wavelength-modulated spectroscopy, in particular for absorption and emission spectroscopy, comprising a signal evaluation device (12) with a signal input (58), a mixing device (56) and a local oscillator (42) for generating a time-dependent local oscillator signal which Mixing device (56) is coupled to the signal input (58) and the local oscillator (42) for generating a time-dependent demodulation signal by mixing a time-dependent input signal present at the signal input (58) and the time-dependent local oscillator signal, characterized in that the Local oscillator (42) is designed to generate the time-dependent local oscillator signal in the form of a time-dependent trigonometric function, which is formed by additive superposition of at least two time-dependent trigonometric functions, and that the local oscillator (42) is designed to specify the amplitude and the phase of each the M at least two time-dependent trigonometric functions.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für die wellenlängenmodulierte Spektroskopie, insbesondere für die Absorptions- und Emissionsspektroskopie, umfassend eine Signalauswerteeinrichtung mit einem Signaleingang, eine Mischeinrichtung und einen Lokaloszillator zum Erzeugen eines zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals, welche Mischeinrichtung mit dem Signalausgang und dem Lokaloszillator gekoppelt ist zum Erzeugen eines zeitabhängigen Demodulations-Signals durch Mischen eines am Signaleingang anliegenden zeitabhängigen Eingangs-Signals und des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals.The present invention relates to a system for wavelength-modulated spectroscopy, in particular for absorption and emission spectroscopy, comprising a signal evaluation device with a signal input, a mixing device and a local oscillator for generating a time-dependent local oscillator signal, which mixing device is coupled to the signal output and the local oscillator for Generating a time-dependent demodulation signal by mixing a time-dependent input signal present at the signal input and the time-dependent local oscillator signal.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Auswerten von Messsignalen, insbesondere bei der wellenlängenmodulierten Spektroskopie, weiter insbesondere bei der Absorptions- und Emissionsspektroskopie, bei welchem Verfahren ein zeitabhängiges Lokaloszillator-Signal erzeugt und mit einem zeitabhängigen Eingangs-Signal gemischt wird zum Erzeugen eines zeitabhängigen Demodulations-Signals.Furthermore, the present invention relates to a method for evaluating measurement signals, in particular in wavelength-modulated spectroscopy, more particularly in absorption and emission spectroscopy, in which method a time-dependent local oscillator signal is generated and mixed with a time-dependent input signal to generate a time-dependent demodulation -Signals.

Systeme und Verfahren der eingangs beschriebenen Art werden insbesondere bei der Frequenzumsetzung von Mess- oder Nutz-Signalen eingesetzt, um die Nutz-Signale für die weitere Verarbeitung in einen besser geeigneten Frequenzbereich umzusetzen. Dabei wird das Nutz-Signal, nachfolgend auch als Eingangs-Signal oder Mess-Signal bezeichnet, in einer Mischeinrichtung, nachfolgend auch als Mischer bezeichnet, mit einem Lokaloszillator-Signal gemischt. Das Ergebnis der Mischung wird als Zwischenfrequenz oder Demodulations-Signal bezeichnet. Die Mischung kann insbesondere mit einem Demodulator beziehungsweise Mischer erfolgen.Systems and methods of the type described above are used in particular in the frequency conversion of measurement or useful signals in order to convert the useful signals into a more suitable frequency range for further processing. In this case, the useful signal, also referred to below as the input signal or measurement signal, is mixed with a local oscillator signal in a mixing device, also referred to below as the mixer. The result of the mixing is referred to as an intermediate frequency or demodulation signal. The mixing can take place in particular with a demodulator or mixer.

Wenn nicht nur eine einzelne Frequenz umgesetzt werden soll, sondern mehrere Frequenzen gleichzeitig, muss das Lokaloszillator-Signal ebenfalls mehrere Frequenzkomponenten enthalten. Die Frequenzumsetzung erfolgt dann wiederum mit einer Mischeinrichtung.If not just a single frequency is to be converted, but several frequencies at the same time, the local oscillator signal must also contain several frequency components. The frequency conversion then takes place again with a mixing device.

Aus der US 5,973,782 A ist es bekannt, als Lokaloszillator-Signal ein pulsweitenmoduliertes Signal, nachfolgend auch PWM-Signal, zu nutzen. Ein PWM-Signal ist ein Rechteck-Signal, dessen Puls-Pause-Verhältnis einer Periode variabel ist. Ein solches Rechteck-Signal kann nach Fourier durch die Überlagerung unendlich vieler Sinusschwingungen mit Frequenzen, welche einem geradzahligen Vielfachen der PWM-Grundfrequenz entsprechen, dargestellt werden. Diese Sinusschwingungen werden als Oberwellen der Grundwelle bezeichnet. Dabei hat die Grundwelle die Frequenz des eigentlichen Rechtecksignals. Die Amplitude und Phasenlage jeder Oberwelle hängt vom Puls-Pause-Verhältnis des PWM-Signals ab. Wird als Lokaloszillator-Signal ein PWM-Signal genutzt, wird mit dem Mischer für jede im Lokaloszillator-Signal enthaltene Frequenz eine Frequenzumsetzung mit dem Eingangs-Signal durchgeführt.From the US 5,973,782A it is known to use a pulse width modulated signal, also referred to below as a PWM signal, as the local oscillator signal. A PWM signal is a square-wave signal whose mark-to-space ratio of a period is variable. According to Fourier, such a square-wave signal can be represented by superimposing an infinite number of sinusoidal oscillations with frequencies which correspond to an even multiple of the PWM basic frequency. These sine waves are called harmonics of the fundamental. The fundamental wave has the frequency of the actual square-wave signal. The amplitude and phase of each harmonic depends on the mark-to-space ratio of the PWM signal. If a PWM signal is used as the local oscillator signal, the mixer carries out a frequency conversion with the input signal for each frequency contained in the local oscillator signal.

Da das PWM-Signal stets unendlich viele Frequenzkomponenten enthält, werden bei der Mischung des Lokaloszillator-Signals mit dem Eingangs-Signal auch stets unendlich viele Frequenzen gemischt und umgesetzt.Since the PWM signal always contains an infinite number of frequency components, an infinite number of frequencies are always mixed and converted when the local oscillator signal is mixed with the input signal.

In der US 5,047,639 A ist ein Konzentrationsdetektor beschrieben. Wellenlängenmodulierte Spektroskopie mit Detektion einer Mehrzahl harmonischer Frequenzkomponenten ist aus der US 6,356,350 B1 bekannt.In the US 5,047,639A a concentration detector is described. Wavelength modulated spectroscopy with detection of a plurality of harmonic frequency components is from US 6,356,350 B1 known.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Auswertung von Eingangs-Signalen beim Einsatz von Mischeinrichtungen zu verbessern.It is therefore an object of the invention to improve the evaluation of input signals when using mixing devices.

Diese Aufgabe wird bei einem System der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Lokaloszillator ausgebildet ist zum Erzeugen des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals in Form einer zeitabhängigen trigonometrischen Funktion, welche durch additive Überlagerung von mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen gebildet ist.In a system of the type described above, this object is achieved according to the invention in that the local oscillator is designed to generate the time-dependent local oscillator signal in the form of a time-dependent trigonometric function which is formed by additively superimposing at least two time-dependent trigonometric functions.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, das Lokaloszillator-Signal wahlfrei zu gestalten. Insbesondere können die mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen beliebig vorgegeben werden, beispielsweise als Sinus- oder Kosinusfunktionen. Dadurch können für die Frequenzumsetzung mit der Mischeinrichtung ein genau definiertes Lokaloszillator-Signal mit ganz bestimmten Frequenzen erzeugt werden, beispielsweise die Grundschwingung und nur eine bestimmte Anzahl von Oberschwingungen oder Oberwellen, und zwar insbesondere auch mit beliebigen, also insbesondere frei wählbaren oder der jeweiligen Aufgabe angepassten, Amplituden- und Phasenverschiebungen. Dies hat signifikante Vorteile gegenüber einem PWM-Signal als Lokaloszillator-Signal, denn bei einem PWM-Signal können die Amplituden der Oberwellen nur global durch eine einzige Vorgabe, nämlich das Puls-Pause-Verhältnis eingestellt werden. Die Amplitudenwerte der Oberwellen werden dabei gleichmäßig durch den Wert der Rechteck-Amplitude skaliert. Sollen einzelne Oberwellen unterdrückt werden, müssen zusätzlich Filter eingesetzt werden. Die vorgeschlagene Weiterbildung durch wahlfreies Vorgeben des Lokaloszillator-Signals durch die additive Überlagerung der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen ermöglicht es, dass insbesondere auf zusätzliche Filter verzichtet werden kann. Die Überlagerung von mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen ist hier nicht als physikalisch additive Überlagerung zu verstehen, sondern als mathematisch theoretische Addition wie bei einer Fourier-Reihe. Auf einfache Weise lässt sich das Lokaloszillator-Signal vorgeben, dass der Lokaloszillator ausgebildet ist zum Vorgeben der Amplitude jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen. Dies ermöglicht es insbesondere, nicht nur die Amplitude der Grundwelle, sondern auch die Amplituden aller Oberwellen in gewünschter Weise, nämlich insbesondere unabhängig voneinander, vorzugeben. Insbesondere können die Amplituden aller Oberwellen identisch vorgegeben werden. Amplituden von Oberwellen können gezielt vorgegeben werden, ohne Amplituden der anderen Oberwellen zu beeinflussen, was bei einem Lokaloszillator-Signal in Form eines PWM-Signals stets der Fall ist. Gemäß der Erfindung ist der Lokaloszillator ausgebildet zum Vorgeben der Phase jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen. Damit lassen sich Phasenlagen zwischen der Grundwelle und den Oberwellen des Lokaloszillator-Signals in beliebiger Weise einstellen. Wie beschrieben ist dies bei einem PWM-Signal nicht möglich. Dort können nur die Phasenlagen und Amplituden aller Oberwellen relativ vorgegeben werden, denn das Puls-Pause-Verhältnis des PWM-Signals bestimmt die Amplituden und Phasenlagen der einzelnen Frequenzanteile.The solution proposed according to the invention makes it possible to design the local oscillator signal freely. In particular, the at least two time-dependent trigonometric functions can be specified as desired, for example as sine or cosine functions. As a result, a precisely defined local oscillator signal with very specific frequencies can be generated for the frequency conversion with the mixing device, for example the fundamental oscillation and only a certain number of harmonics or harmonics, and in particular also with any desired, i.e. in particular freely selectable or adapted to the respective task , amplitude and phase shifts. This has significant advantages over a PWM signal as a local oscillator signal, because with a PWM signal, the Amplitudes of the harmonics can only be set globally by a single specification, namely the mark-to-space ratio. The amplitude values of the harmonics are evenly scaled by the value of the square-wave amplitude. If individual harmonics are to be suppressed, additional filters must be used. The proposed development through optional specification of the local oscillator signal through the additive superimposition of the at least two time-dependent trigonometric functions makes it possible, in particular, to dispense with additional filters. The superposition of at least two time-dependent trigonometric functions is not to be understood here as a physically additive superposition, but rather as a mathematically theoretical addition as in a Fourier series. The local oscillator signal can be preset in a simple manner, so that the local oscillator is designed to preset the amplitude of each of the at least two time-dependent trigonometric functions. In particular, this makes it possible to specify not only the amplitude of the fundamental wave, but also the amplitudes of all the harmonics in a desired manner, namely, in particular, independently of one another. In particular, the amplitudes of all harmonics can be specified identically. Amplitudes of harmonics can be specified in a targeted manner without influencing the amplitudes of the other harmonics, which is always the case with a local oscillator signal in the form of a PWM signal. According to the invention, the local oscillator is designed to specify the phase of each of the at least two time-dependent trigonometric functions. This allows the phase angles between the fundamental wave and the harmonics of the local oscillator signal to be adjusted in any way. As described, this is not possible with a PWM signal. Only the phase angles and amplitudes of all harmonics can be relatively specified there, because the mark-to-space ratio of the PWM signal determines the amplitudes and phase angles of the individual frequency components.

Vorteilhaft ist es, wenn der Lokaloszillator ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei trigonometrischen Funktionen in Form von Sinus- oder Kosinusfunktionen. Sinus- und Kosinusfunktionen lassen sich insbesondere mit einem Funktionsgenerator auf einfache Weise erzeugen. Insbesondere lassen sich deren Amplituden, Frequenzen sowie Phasenlagen relativ zueinander einfach und genau vorgeben. Zwei trigonometrischen Funktionen in Form von Sinus- oder Kosinusfunktionen lassen sich insbesondere durch einen Oszillator beziehungsweise Funktionsgenerator mit zwei Ausgängen erzeugen.It is advantageous if the local oscillator is designed to generate the at least two trigonometric functions in the form of sine or cosine functions. Sine and cosine functions can be generated in a simple manner, in particular with a function generator. In particular, their amplitudes, frequencies and phase angles relative to one another can be specified easily and precisely. Two trigonometric functions in the form of sine or cosine functions can be generated in particular by an oscillator or function generator with two outputs.

Um die Verarbeitung des Eingangs-Signals sowie auch des zeitabhängigen Demodulations-Signals zu vereinfachen, ist es günstig, wenn der Lokaloszillator ausgebildet ist zum Erzeugen des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals entsprechend der additiven Überlagerung von maximal 10 trigonometrischen Funktionen. Insbesondere kann die additive Überlagerung auch auf maximal fünf trigonometrische Funktionen begrenzt sein. So lassen sich mit endlichem Rechenaufwand zeitabhängige Eingangs-Signale in frequenzabhängige Signale umsetzen. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die wellenlängenmodulierte Spektroskopie, insbesondere die Absorptions- und Emissionsspektroskopie.In order to simplify the processing of the input signal and also the time-dependent demodulation signal, it is advantageous if the local oscillator is designed to generate the time-dependent local oscillator signal corresponding to the additive superimposition of a maximum of 10 trigonometric functions. In particular, the additive superimposition can also be limited to a maximum of five trigonometric functions. In this way, time-dependent input signals can be converted into frequency-dependent signals with finite computing effort. This is particularly advantageous for wavelength-modulated spectroscopy, in particular absorption and emission spectroscopy.

Auf einfache Weise lässt sich das Eingangs-Signal mit dem Lokaloszillator-Signal mischen, wenn der Lokaloszillator ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Modulationsfrequenz entspricht, mit der das Eingangs-Signal moduliert ist. So lassen sich auf einfache Weise Oberwellen im Eingangs-Signal in den gewünschten Frequenzbereich umsetzen.The input signal can be easily mixed with the local oscillator signal if the local oscillator is designed to generate the at least two trigonometric functions with a demodulation frequency that corresponds to an integer multiple of a modulation frequency with which the input signal is modulated. This is a simple way of converting harmonics in the input signal into the desired frequency range.

Vorteilhaft ist es, wenn der Lokaloszillator ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz, die einem ganzzahligen Vielfachen einer um einen Frequenzwert vergrößerten oder verkleinerten Modulationsfrequenz entspricht. Dies ermöglicht es insbesondere, Oberwellen des Eingangs-Signals mittels der Heterodyn-Messtechnik separat auszuwerten. Jede Spektralkomponente des Eingangs-Signals enthält weitere Informationen über den Verlauf beispielsweise einer Absorptionskurve im Frequenzraum. So kann aus einem zeitabhängigen Eingangs-Signal ein frequenzabhängiges Absorptionsspektrum oder Emissionsspektrum berechnet werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass zur Modulationsfrequenz beispielsweise einer Anregungslichtquelle eine ungleiche Demodulationsfrequenz gewählt wird, die sich von der Modulationsfrequenz um ein ganzzahliges Vielfaches des Frequenzwerts unterscheidet. Der Frequenzwert bildet quasi eine Frequenzverschiebung zwischen Modulationsfrequenz und Demodulationsfrequenz. Spektralkomponenten des Demodulations-Signals stellen so die Oberwellen des Eingangssignals, beispielsweise von einem Strahlungsdetektor, im hochfrequenten Bereich dar und sind durch den Frequenzversatz, der dem vorgegebenen Frequenzwert entspricht, voneinander getrennt.It is advantageous if the local oscillator is designed to generate the at least two trigonometric functions with a demodulation frequency that corresponds to an integer multiple of a modulation frequency increased or decreased by a frequency value. In particular, this makes it possible to evaluate harmonics of the input signal separately using heterodyne measurement technology. Each spectral component of the input signal contains additional information about the course of an absorption curve in the frequency domain, for example. In this way, a frequency-dependent absorption spectrum or emission spectrum can be calculated from a time-dependent input signal. This is achieved in particular by selecting an unequal demodulation frequency for the modulation frequency, for example of an excitation light source, which differs from the modulation frequency by an integer multiple of the frequency value. The frequency value forms a sort of frequency shift between the modulation frequency and the demodulation frequency. Spectral components of the demodulation signal thus represent the harmonics of the input signal, for example from a radiation detector, in the high-frequency range and are separated from one another by the frequency offset, which corresponds to the specified frequency value.

Auf einfache Weise lässt sich ein Lokaloszillator-Signal vorgeben, wenn der Lokaloszillator in Form eines ersten Funktionsgenerators ausgebildet ist.A local oscillator signal can be specified in a simple manner if the local oscillator is designed in the form of a first function generator.

Um mit dem System optische Spektroskopie betreiben zu können, ist es günstig, wenn es eine Spektroskopieeinrichtung zum Messen eines zeitabhängigen Spektroskopie-Signals umfasst. Das Spektroskopie-Signal kann insbesondere ein Emissions-Signal oder ein Absorptions-Signal einer festen, flüssigen oder gasförmigen Probe sein, die beispielsweise mit Anregungslicht einer Anregungslichtquelle beaufschlagt wird. Insbesondere kann so eine Transmission und damit indirekt eine Absorption der Probe gemessen werden. In order to be able to operate optical spectroscopy with the system, it is advantageous if it includes a spectroscopy device for measuring a time-dependent spectroscopy signal. The spectroscopy signal can, in particular, be an emission signal or an absorption signal of a solid, liquid or gaseous sample which is exposed to excitation light from an excitation light source, for example. In particular, a transmission and thus indirectly an absorption of the sample can be measured in this way.

Vorzugsweise umfasst die Spektroskopieeinrichtung eine Anregungslichtquelle zum Erzeugen elektromagnetischer Anregungsstrahlung. So lassen sich insbesondere Absorptions- und Emissionsspektren messen. Günstig ist es, wenn die Anregungslichtquelle in Form eines Anregungslasers ausgebildet ist. So kann eine Probe insbesondere sehr schmalbandig angeregt und deren Transmission beziehungsweise Absorption gemessen werden.The spectroscopy device preferably comprises an excitation light source for generating electromagnetic excitation radiation. In particular, absorption and emission spectra can be measured in this way. It is favorable if the excitation light source is designed in the form of an excitation laser. In this way, a sample can be excited in a very narrow band and its transmission or absorption can be measured.

Auf einfache und kostengünstige Weise ausbilden lässt sich die Spektroskopieeinrichtung, wenn der Anregungslaser in Form einer Laserdiode ausgebildet ist. Insbesondere lässt sich die Anregungsstrahlung auf einfache Weise modulieren mit einem entsprechenden Laserdioden-Treiber, der die von der Laserdiode emittierte Laserstrahlung in Abhängigkeit der an ihn angelegten Spannung in der Wellenlänge oder Frequenz moduliert. So können auf einfache Weise ein durchstimmbarer Laser und eine wellenlängenabhängig durchstimmbare Anregungslichtquelle ausgebildet werden.The spectroscopy device can be designed in a simple and cost-effective manner if the excitation laser is designed in the form of a laser diode. In particular, the excitation radiation can be modulated in a simple manner with a corresponding laser diode driver, which modulates the wavelength or frequency of the laser radiation emitted by the laser diode as a function of the voltage applied to it. A tunable laser and an excitation light source that can be tuned as a function of the wavelength can thus be formed in a simple manner.

Günstig ist es, wenn die Spektroskopieeinrichtung eine Modulationseinrichtung umfasst zum Erzeugen einer Modulationsfrequenz und wenn die Modulationseinrichtung mit der Anregungslichtquelle zusammenwirkend angeordnet und ausgebildet ist zum Modulieren einer Wellenlänge der Anregungsstrahlung mit der Modulationsfrequenz. Diese Ausgestaltung ermöglicht es insbesondere, zeitaufgelöst eine Absorption oder Emission einer Probe zu messen, wobei die Wellenlänge der Anregungsstrahlung durch die Modulationsfrequenz kontinuierlich geändert wird. So lassen sich im Zeitraum Spektroskopie-Signale erzeugen und beispielsweise mit der Auswerteeinrichtung in den Frequenzraum umsetzen, um so frequenzabhängige Emissions- oder Absorptionsspektren zu erhalten.It is favorable if the spectroscopy device comprises a modulation device for generating a modulation frequency and if the modulation device is arranged and designed to interact with the excitation light source for modulating a wavelength of the excitation radiation with the modulation frequency. This configuration makes it possible, in particular, to measure an absorption or emission of a sample in a time-resolved manner, with the wavelength of the excitation radiation being changed continuously by the modulation frequency. In this way, spectroscopy signals can be generated over time and, for example, converted into the frequency space with the evaluation device in order to obtain frequency-dependent emission or absorption spectra.

Auf einfache Weise ausbilden lässt sich die Spektroskopieeinrichtung, wenn die Modulationseinrichtung in Form eines zweiten Funktionsgenerators ausgebildet ist. Insbesondere kann der zweite Funktionsgenerator mit dem ersten Funktionsgenerator über eine gemeinsame Signalquelle synchronisiert sein.The spectroscopy device can be designed in a simple manner if the modulation device is designed in the form of a second function generator. In particular, the second function generator can be synchronized with the first function generator via a common signal source.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Spektroskopieeinrichtung eine Probenzelle umfasst, insbesondere in Form einer Absorptions- oder Emissionszelle. Insbesondere kann die Probenzelle derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie mit der von der Anregungslichtquelle erzeugten Anregungsstrahlung beaufschlagbar ist. Unter einer Probenzelle kann insbesondere jegliche Art von Halterung oder Behälter verstanden werden, mit dem eine Probe, die gasförmig, fest oder flüssig sein kann, in definierter Weise positioniert werden kann, um sie mit der Anregungsstrahlung zu beaufschlagen.According to a further preferred embodiment of the invention, it can be provided that the spectroscopy device comprises a sample cell, in particular in the form of an absorption or emission cell. In particular, the sample cell can be arranged and designed in such a way that the excitation radiation generated by the excitation light source can be applied to it. A sample cell can in particular be understood to mean any type of holder or container with which a sample, which can be gaseous, solid or liquid, can be positioned in a defined manner in order to expose it to the excitation radiation.

Vorteilhaft ist es, wenn die Spektroskopieeinrichtung einen Detektor umfasst und wenn der Detektor derart angeordnet ist, dass von einer Probe emittierte oder transmittierte Strahlung detektierbar ist. Insbesondere kann der Detektor in Form eines optischen Detektors ausgebildet sein. Ferner kann die Probe insbesondere in der Probenzelle angeordnet sein. Der Detektor kann insbesondere ausgebildet sein, um von der Probe emittierte und transmittierte Strahlung zeitaufgelöst zu detektieren. Insbesondere ist der Detektor derart ausgebildet, dass er eine obere Grenzfrequenz, welcher einer Zeitauflösung des Detektors entspricht, aufweist, welche größer als die Modulationsfrequenz ist, mit der die Wellenlänge der Anregungsstrahlung moduliert wird.It is advantageous if the spectroscopy device comprises a detector and if the detector is arranged in such a way that radiation emitted or transmitted by a sample can be detected. In particular, the detector can be in the form of an optical detector. Furthermore, the sample can be arranged in particular in the sample cell. The detector can be designed in particular to detect radiation emitted and transmitted by the sample in a time-resolved manner. In particular, the detector is designed in such a way that it has an upper limit frequency, which corresponds to a time resolution of the detector, which is greater than the modulation frequency with which the wavelength of the excitation radiation is modulated.

Vorteilhaft ist es, wenn der Detektor einen Signalausgang aufweist und ausgebildet ist zum Erzeugen eines Detektorsignals, welches insbesondere am Signalausgang ausgebbar ist. Das Detektorsignal kann dann insbesondere auf einfache Weise weiterverarbeitet werden, beispielsweise mit dem Lokaloszillator-Signal gemischt werden.It is advantageous if the detector has a signal output and is designed to generate a detector signal which can be output in particular at the signal output. The detector signal can then be further processed in a particularly simple manner, for example mixed with the local oscillator signal.

Einfach und kostengünstig ausbilden lässt sich das System, wenn der Detektor in Form einer Fotodiode ausgebildet ist.The system can be designed simply and inexpensively if the detector is designed in the form of a photodiode.

Um die Qualität des Detektorsignals zu verbessern und insbesondere das Signal-Rauschverhältnis zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn dem Detektor eine Verstärkungseinrichtung nachgeschaltet ist oder wenn der Detektor eine Verstärkungseinrichtung umfasst und wenn die Verstärkungseinrichtung ausgebildet ist zum Verstärken des Detektorsignals.In order to improve the quality of the detector signal and in particular to improve the signal-to-noise ratio, it is advantageous if an amplification device is connected downstream of the detector or if the detector comprises an amplification device and if the amplification device is designed to amplify the detector signal.

Um das Detektorsignal auf einfache Weise auswerten zu können, ist es günstig, wenn der Signalausgang des Detektors mit dem Signaleingang der Auswerteeinrichtung gekoppelt ist. So lässt sich insbesondere das Detektorsignal an die Auswerteeinrichtung direkt übergeben.In order to be able to evaluate the detector signal in a simple manner, it is favorable if the signal output of the detector is coupled to the signal input of the evaluation device. In particular, the detector signal can be transferred directly to the evaluation device.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des Demodulations-Signals und eine Signalausgabeeinrichtung zum Ausgeben des Demodulations-Signals umfasst. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, um das Demodulations-Signal vom Zeitraum in den Frequenzraum umzusetzen, beispielsweise durch eine Fourier-Transformation. Die Signalausgabeeinrichtung kann so beispielsweise optische Spektren wellenlängenabhängig oder frequenzabhängig ausgeben. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann insbesondere in Form eines Computers ausgebildet sein oder einen solchen umfassen. Die Signalausgabeeinrichtung kann beispielsweise in Form eines Bildschirms, eines Datenspeichers oder eines Druckers ausgebildet sein oder einen Bildschirm und/oder einen Datenspeicher und/oder einen Drucker umfassen.According to a further preferred embodiment of the invention, it can be provided that the evaluation device comprises a signal processing device for processing the demodulation signal and a signal output device for outputting the demodulation signal. In particular, the evaluation device can be designed to convert the demodulation signal from the time domain to the frequency domain, for example by a Fourier transformation. The signal output device can thus, for example, output optical spectra as a function of wavelength or as a function of frequency. The signal processing device can in particular be designed in the form of a computer or include one. The signal output device can be in the form of a screen, a data memory or a printer, for example, or can include a screen and/or a data memory and/or a printer.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das zeitabhängige Lokaloszillator-Signal durch additive Überlagerung von mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen erzeugt wird.The object stated at the outset is also achieved according to the invention in a method of the type described at the outset in that the time-dependent local oscillator signal is generated by additive superimposition of at least two time-dependent trigonometric functions.

Die mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen bilden eine Grundwelle sowie mindestens eine Oberwelle zur Grundwelle. Durch die Anzahl der zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen kann so auf einfache Weise die Anzahl der gewünschten Oberwellen vorgegeben werden. So kann ein Frequenzspektrum des Lokaloszillator-Signals praktisch wahlfrei gestaltet werden. The at least two time-dependent trigonometric functions form a fundamental and at least one harmonic of the fundamental. The number of the desired harmonics can be specified in a simple manner by the number of time-dependent trigonometric functions. In this way, a frequency spectrum of the local oscillator signal can be configured in a practically random manner.

Es sind dann keine Frequenzen oder Oberwellen im Lokaloszillator-Signal enthalten, welche nicht explizit in die additive zeitabhängige Überlagerung der trigonometrischen Funktionen eingeflossen sind. Damit können Frequenzen und folglich Oberwellen gezielt eliminiert werden, wenn diese für die Mischung mit dem zeitabhängigen Eingangssignal nicht gewünscht werden. Somit lässt sich die Auswertung des Eingangssignals gezielt vereinfachen und dadurch verbessern. Zudem kann so auch auf Filter verzichtet werden. Wenn das Lokaloszillator-Signal durch ein PWM-Signal gebildet wird, können Oberwellen nur dadurch eliminiert werden, dass gezielt sogenannte Kerbfilter, auch Notch-Filter genannt, eingesetzt werden, um bestimmte Frequenzen auszufiltern, also möglichst vollständig zu unterdrücken. Diese Filter haben jedoch den Nachteil, dass sie alle Frequenzanteile, insbesondere weitere Oberwellen, die nicht herausgefiltert werden sollen, in unerwünschter Weise beeinflussen. Günstig ist es, dass die Amplituden jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen vorgegeben werden. So können insbesondere beliebige Amplitudenverhältnisse eingestellt werden oder aber auch alle Oberwellen mit derselben Amplitude vorgegeben werden. Ferner ist es günstig, dass die Phasen jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen vorgegeben werden. Insbesondere können die Phasen in Form von Phasenverschiebungen zu einer Grundfrequenz, die eine der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen definiert, vorgegeben werden. So können gezielt Phasenlagen einzelner Oberwellen relativ zur Grundwelle und relativ zueinander eingestellt werden.The local oscillator signal then does not contain any frequencies or harmonics that are not explicitly included in the additive time-dependent superimposition of the trigonometric functions. In this way, frequencies and consequently harmonics can be specifically eliminated if they are not desired for mixing with the time-dependent input signal. In this way, the evaluation of the input signal can be specifically simplified and thereby improved. In addition, filters can be dispensed with. If the local oscillator signal is formed by a PWM signal, harmonics can only be eliminated by using so-called notch filters in a targeted manner in order to filter out certain frequencies, i.e. to suppress them as completely as possible. However, these filters have the disadvantage that they undesirably affect all frequency components, in particular other harmonics that are not to be filtered out. It is favorable that the amplitudes of each of the at least two time-dependent trigonometric functions are specified. In particular, any desired amplitude ratios can be set, or all harmonics can be specified with the same amplitude. Furthermore, it is favorable that the phases of each of the at least two time-dependent trigonometric functions are specified. In particular, the phases can be specified in the form of phase shifts relative to a fundamental frequency that defines one of the at least two time-dependent trigonometric functions. In this way, the phase angles of individual harmonics can be adjusted relative to the fundamental and relative to one another.

Auf einfache Weise lassen sich zeitabhängige trigonometrische Funktionen additiv überlagern, wenn die mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen in Form von Sinus- oder Kosinus-Funktionen erzeugt werden. Kosinus-Funktionen haben insbesondere den Vorteil, dass sie achsensymmetrisch ausgebildet sind.Time-dependent trigonometric functions can be additively superimposed in a simple manner if the at least two time-dependent trigonometric functions are generated in the form of sine or cosine functions. In particular, cosine functions have the advantage that they are axisymmetric.

Um die Auswertung des Eingangssignals zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, wenn das zeitabhängige Lokaloszillatorsignal durch additive Überlagerung von maximal 10 trigonometrischen Funktionen erzeugt wird. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn maximal fünf trigonometrische Funktionen additiv überlagert werden. Dies bedeutet dann insbesondere, dass eine Grundwelle und vier Oberwellen überlagert werden zur Ausbildung des zeitabhängigen Lokaloszillatorsignals.In order to simplify the evaluation of the input signal, it is advantageous if the time-dependent local oscillator signal is generated by additively superimposing a maximum of 10 trigonometric functions. In particular, it can be advantageous if a maximum of five trigonometric functions are additively superimposed. This then means in particular that a fundamental wave and four harmonics are superimposed to form the time-dependent local oscillator signal.

Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz erzeugt werden, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Modulationsfrequenz entspricht, mit der das Eingangs-Signal moduliert wird. So lässt sich das Eingangssignal auf einfache Weise in einen gewünschten Frequenzbereich umsetzen.It is advantageous if the at least two trigonometric functions are generated with a demodulation frequency that corresponds to an integer multiple of a modulation frequency with which the input signal is modulated. In this way, the input signal can easily be converted into a desired frequency range.

Um einen für die Heterodyn-Messtechnik nötigen Frequenzversatz des Lokaloszillatorsignals zum Eingangssignal, welches mit der Modulationsfrequenz moduliert ist, zu realisieren, ist es günstig, wenn die mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz erzeugt werden, die einem ganzzahligen Vielfachen einer um einen Frequenzwert vergrößerten oder verkleinerten Modulationsfrequenz entspricht. Dieser Frequenzwert bildet dann den Frequenzversatz zwischen dem Lokaloszillatorsignal und dem modulierten Eingangssignal.In order to realize a frequency offset of the local oscillator signal to the input signal, which is modulated with the modulation frequency, which is necessary for heterodyne measurement technology, it is favorable if the at least two trigonometric functions are generated with a demodulation frequency that is an integer multiple of a frequency value increased or reduced modulation frequency corresponds. This frequency value then forms the frequency offset between the local oscillator signal and the modulated input signal.

Auf einfache Weise lässt sich das zeitabhängige Lokaloszillatorsignal mit einem ersten Funktionsgenerator erzeugen.The time-dependent local oscillator signal can be generated in a simple manner using a first function generator.

Vorteilhaft ist es, wenn ein zeitabhängiges Spektroskopie-Signal gemessen wird, welches das Eingangs-Signal bildet. Auf diese Weise kann das Verfahren genutzt werden zum Auswerten von Spektroskopie-Signalen. Das Eingangs-Signal kann jedoch auch ein beliebiges anderes Mess- oder Nutz-Signal sein.It is advantageous if a time-dependent spectroscopy signal is measured, which forms the input signal. In this way, the method can be used to evaluate spectroscopy signals. However, the input signal can also be any other measurement or useful signal.

Um insbesondere Transmissionen, Absorptionen oder Emissionen einer Probe messen zu können, ist es günstig, wenn eine elektromagnetische Anregungsstrahlung erzeugt wird zum Anregen einer zu untersuchenden Probe. In order in particular to be able to measure transmissions, absorptions or emissions of a sample, it is advantageous if electromagnetic excitation radiation is generated to excite a sample to be examined.

Vorzugsweise wird die Wellenlänge der elektromagnetischen Anregungsstrahlung mit einer Modulationsfrequenz moduliert. Dies ermöglicht es insbesondere, wellenlängenmodulierte Spektroskopie zu betreiben. Eine Probe kann so zeitabhängig mit Anregungsstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen beaufschlagt werden, so dass ein zeitabhängiges und von der Wellenlänge der Anregungsstrahlung abhängiges Spektroskopie-Signal erzeugt wird, welches dann zur Ermittlung optischer Eigenschaften der Probe, beispielsweise deren Brechungsindex oder die Form der Absorptionskurve, ausgewertet werden kann. Da Druck und Temperatur insbesondere den Brechungsindex und/oder die Form der Absorptionskurve der Probe beeinflussen, können so indirekt aus den gemessenen optischen Eigenschaften der Druck und die Temperatur in der Probenzelle bestimmt werden. Die zeitabhängig modulierte Anregungsstrahlung kann beispielsweise genutzt werden, um ein zeitabhängiges Spektroskopie-Signal einer Probe zu erzeugen. Dies kann dann wie beschrieben vom Zeitraum in den Frequenzraum umgesetzt werden, um so wellenlängenabhängige oder frequenzabhängige optische Spektren der Probe zu erhalten.The wavelength of the electromagnetic excitation radiation is preferably modulated with a modulation frequency. In particular, this makes it possible to operate wavelength-modulated spectroscopy. A sample can be exposed to excitation radiation of different wavelengths in a time-dependent manner, so that a time-dependent spectroscopy signal that is dependent on the wavelength of the excitation radiation is generated, which can then be evaluated to determine the optical properties of the sample, for example its refractive index or the shape of the absorption curve . Since pressure and temperature in particular influence the refractive index and/or the shape of the absorption curve of the sample, the pressure and temperature in the sample cell can be determined indirectly from the measured optical properties. The time-dependent modulated excitation radiation can be used, for example, to generate a time-dependent spectroscopy signal of a sample. As described, this can then be converted from the time period into the frequency domain in order to obtain wavelength-dependent or frequency-dependent optical spectra of the sample.

Besonders schmalbandige Anregungen der Probe sind möglich, wenn die elektromagnetische Anregungsstrahlung in Form von Laserstrahlung erzeugt wird.Particularly narrow-band excitations of the sample are possible if the electromagnetic excitation radiation is generated in the form of laser radiation.

Auf einfache Weise lässt sich die Modulationsfrequenz mit einem zweiten Funktionsgenerator erzeugen. Insbesondere kann der zweite Funktionsgenerator mit dem ersten Funktionsgenerator über eine gemeinsame Signalquelle synchronisiert sein.The modulation frequency can be easily generated with a second function generator. In particular, the second function generator can be synchronized with the first function generator via a common signal source.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Probe mit der wellenlängenmodulierten Anregungsstrahlung beaufschlagt wird und dass eine Transmission der Anregungsstrahlung oder eine Emission der mit der Anregungsstrahlung beaufschlagten Probe zeitabhängig gemessen wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht es insbesondere, wellenlängenmodulierte Spektren einer optisch aktiven Probe, beispielsweise eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers, zu erhalten. Falls erforderlich, können die zeitabhängig gemessenen Transmissionen oder Emissionen vom Zeitraum in den Frequenzraum umgesetzt werden, um wellenlängen- oder frequenzabhängige Transmissions- oder Emissionsspektren der Probe zu erhalten.According to a further preferred variant of the method according to the invention, it can be provided that the sample is exposed to the wavelength-modulated excitation radiation and that a transmission of the excitation radiation or an emission of the sample exposed to the excitation radiation is measured as a function of time. In particular, this procedure makes it possible to obtain wavelength-modulated spectra of an optically active sample, for example a gas, a liquid or a solid. If necessary, the time-dependent measured transmissions or emissions can be converted from the period to the frequency domain in order to obtain wavelength- or frequency-dependent transmission or emission spectra of the sample.

Vorteilhaft ist es, wenn die Transmission oder Emission als Detektor-Signal mit einem Detektor zeitabhängig gemessen wird. Insbesondere kann eine solche Messung mit einem optischen Detektor erfolgen. Das zeitabhängige Detektor-signal kann wie beschrieben bei Kenntnis der Modulationsfrequenz, mit der die Anregungsstrahlung moduliert wird, zur Auswertung der zeitabhängigen Spektren und zur Umsetzung derselben vom Zeitraum in den Frequenzraum eingesetzt werden.It is advantageous if the transmission or emission is measured as a detector signal with a detector as a function of time. In particular, such a measurement can be carried out using an optical detector. As described, if the modulation frequency with which the excitation radiation is modulated is known, the time-dependent detector signal can be used to evaluate the time-dependent spectra and to convert them from the time period into the frequency domain.

Günstigerweise wird mit dem Detektor aus dem zeitabhängigen Spektroskopie-Signal das zeitabhängige Detektor-Signal erzeugt. Insbesondere kann die sich zeitlich ändernde Strahlung mit dem Detektor gemessen und ein Strom- oder Spannungssignal durch den Detektor bereitgestellt werden als zeitabhängiges Detektorsignal.The time-dependent detector signal is advantageously generated with the detector from the time-dependent spectroscopy signal. In particular, the time-varying radiation can be measured with the detector and a current or voltage signal can be provided by the detector as a time-dependent detector signal.

Auf einfache Weise lassen sich zeitabhängige optische Spektren aufnehmen, wenn der Detektor in Form einer Fotodiode bereitgestellt wird.Time-dependent optical spectra can be recorded in a simple manner if the detector is provided in the form of a photodiode.

Zur Verbesserung eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Detektorsignals ist es vorteilhaft, wenn das zeitabhängige Detektor-Signal verstärkt wird.In order to improve a signal-to-noise ratio of the detector signal, it is advantageous if the time-dependent detector signal is amplified.

Zur Auswertung des Spektroskopie-Signals ist es günstig, wenn das zeitabhängige Detektor-Signal als zeitabhängiges Eingangs-Signal verwendet wird. Das Detektor-Signal kann dann als Basis für eine Auswertung, insbesondere eine Umsetzung des zeitabhängigen Detektorsignals in ein wellenlängen- oder frequenzabhängiges Auswertesignal oder Demodulationssignal, dienen.In order to evaluate the spectroscopy signal, it is favorable if the time-dependent detector signal is used as the time-dependent input signal. The detector signal can then serve as a basis for an evaluation, in particular a conversion of the time-dependent detector signal into a wavelength- or frequency-dependent evaluation signal or demodulation signal.

Um insbesondere gewünschte optische Spektren wellenlängenabhängig oder frequenzabhängig für eine Probe zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn das Demodulationssignal analog und/oder digital verarbeitet und ausgegeben wird. Mit einem derartigen Verfahren lassen sich Proben in gewünschter Weise untersuchen und im Hinblick auf ihre optischen Eigenschaften charakterisieren.In order in particular to obtain desired optical spectra for a sample as a function of wavelength or frequency, it is advantageous if the demodulation signal is processed and output in analog and/or digital form. With such a method, samples can be examined in the desired manner and characterized with regard to their optical properties.

Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Systemen für die wellenlängenabhängige Spektroskopie und Verfahren zum Auswerten von Messsignalen bei der wellenlängenmodulierten Spektroskopie:

  1. 1. System (10) für die wellenlängenmodulierte Spektroskopie, insbesondere für die Absorptions- und Emissionsspektroskopie, umfassend eine Signalauswerteeinrichtung (12) mit einem Signaleingang (58), eine Mischeinrichtung (56) und einen Lokaloszillator (42) zum Erzeugen eines zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals, welche Mischeinrichtung (56) mit dem Signaleingang (58) und dem Lokaloszillator (42) gekoppelt ist zum Erzeugen eines zeitabhängigen Demodulations-Signals durch Mischen eines am Signaleingang (58) anliegenden zeitabhängigen Eingangs-Signals und des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator ausgebildet (42) ist zum Erzeugen des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals in Form einer zeitabhängigen trigonometrischen Funktion, welche durch additive Überlagerung von mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen gebildet ist.
  2. 2. System nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (42) ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei trigonometrischen Funktionen in Form von Sinus- oder Kosinusfunktionen.
  3. 3. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (42) ausgebildet ist zum Erzeugen des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals entsprechend der additiven Überlagerung von maximal 10 trigonometrischen Funktionen, insbesondere von maximal fünf trigonometrischen Funktionen.
  4. 4. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (42) ausgebildet ist zum Vorgeben der Amplitude jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen.
  5. 5. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (42) ausgebildet ist zum Vorgeben der Phase jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen.
  6. 6. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (42) ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Modulationsfrequenz entspricht, mit der das Eingangs-Signal moduliert ist.
  7. 7. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (42) ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz, die einem ganzzahligen Vielfachen einer um einen Frequenzwert vergrößerten oder verkleinerten Modulationsfrequenz entspricht.
  8. 8. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (42) in Form eines ersten Funktionsgenerators (40) ausgebildet ist.
  9. 9. System nach einem der voranstehenden Sätze, gekennzeichnet durch eine Spektroskopieeinrichtung (14) zum Messen eines zeitabhängigen Spektroskopie-Signals.
  10. 10. System nach Satz 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektroskopieeinrichtung (14) eine Anregungslichtquelle (16), insbesondere in Form eines Anregungslasers (20), zum Erzeugen elektromagnetischer Anregungsstrahlung (18) umfasst.
  11. 11. System nach Satz 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungslaser (20) in Form einer Laserdiode (22) ausgebildet ist.
  12. 12. System nach einem der Sätze 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektroskopieeinrichtung (14) eine Modulationseinrichtung (28) umfasst zum Erzeugen einer Modulationsfrequenz und dass die Modulationseinrichtung (28) mit der Anregungslichtquelle (16) zusammenwirkend angeordnet und ausgebildet ist zum Modulieren einer Wellenlänge der Anregungsstrahlung (18) mit der Modulationsfrequenz.
  13. 13. System nach Satz 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung (29) in Form eines zweiten Funktionsgenerators (28) ausgebildet ist.
  14. 14. System nach einem der Sätze 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektroskopieeinrichtung (14) eine Probenzelle (32) umfasst, insbesondere in Form einer Absorptions- oder Emissionszelle, wobei insbesondere die Probenzelle (32) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie mit der von der Anregungslichtquelle (16) erzeugten Anregungsstrahlung (18) beaufschlagbar ist.
  15. 15. System nach einem der Sätze 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektroskopieeinrichtung (14) einen Detektor (34) umfasst, insbesondere in Form eines optischen Detektors, und dass der Detektor (34) derart angeordnet ist, dass von einer, insbesondere in der Probenzelle (32) angeordneten, Probe emittierte oder transmittierte Strahlung detektierbar ist.
  16. 16. System nach Satz 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (34) einen Signalausgang aufweist und ausgebildet ist zum Erzeugen eines Detektorsignals, welches insbesondere am Signalausgang ausgebbar ist.
  17. 17. System nach Satz 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (34) in Form einer Fotodiode (36) ausgebildet ist.
  18. 18. System nach einem der Sätze 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Detektor (34) eine Verstärkungseinrichtung (38) nachgeschaltet ist oder dass der Detektor (34) eine Verstärkungseinrichtung (38) umfasst und dass die Verstärkungseinrichtung (38) ausgebildet ist zum Verstärken des Detektorsignals.
  19. 19. System nach einem der Sätze 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang des Detektors (34) mit dem Signaleingang (58) der Signalauswerteeinrichtung (12) gekoppelt ist.
  20. 20. System nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerteeinrichtung (12) eine Signalverarbeitungseinrichtung (48) zum Verarbeiten des Demodulations-Signals und eine Signalausgabeeinrichtung (52) zum Ausgeben des Demodulations-Signals umfasst.
  21. 21. Verfahren zum Auswerten von Messsignalen, insbesondere bei der wellenlängenmodulierten Spektroskopie, weiter insbesondere bei der Absorptions- und Emissionsspektroskopie, bei welchem Verfahren ein zeitabhängiges Lokaloszillator-Signal erzeugt und mit einem zeitabhängigen Eingangs-Signal gemischt wird zum Erzeugen eines zeitabhängigen Demodulations-Signals, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Lokaloszillator-Signal in Form einer zeitabhängigen trigonometrischen Funktion erzeugt wird, welches durch additive Überlagerung von mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen gebildet wird.
  22. 22. Verfahren nach Satz 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen in Form von Sinus- oder Kosinusfunktionen erzeugt werden.
  23. 23. Verfahren nach Satz 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Lokaloszillator-Signal durch additive Überlagerung von maximal 10, insbesondere maximal fünf, trigonometrischen Funktionen erzeugt wird.
  24. 24. Verfahren nach einem der Sätze 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen vorgegeben werden.
  25. 25. Verfahren nach einem der Sätze 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen vorgegeben werden.
  26. 26. Verfahren nach einem der Sätze 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz erzeugt werden, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Modulationsfrequenz entspricht, mit der das Eingangs-Signal moduliert wird.
  27. 27. Verfahren nach einem der Sätze 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz erzeugt werden, die einem ganzzahligen Vielfachen einer um einen Frequenzwert vergrößerten oder verkleinerten Modulationsfrequenz entspricht.
  28. 28. Verfahren nach Sätze 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Lokaloszillator-Signal mit einem ersten Funktionsgenerator (40) erzeugt wird.
  29. 29. Verfahren nach Sätze 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitabhängiges Spektroskopie-Signal gemessen wird, welches das Eingangs-Signal bildet.
  30. 30. Verfahren nach Satz 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromagnetische Anregungsstrahlung (18) erzeugt wird zum Anregen einer zu untersuchenden Probe.
  31. 31. Verfahren nach Satz 30, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Anregungsstrahlung (18) in Form von Laserstrahlung erzeugt wird.
  32. 32. Verfahren nach einem der Sätze 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der elektromagnetischen Anregungsstrahlung (18) mit einer Modulationsfrequenz moduliert wird.
  33. 33. Verfahren nach Satz 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz mit einem zweiten Funktionsgenerator (28) erzeugt wird.
  34. 34. Verfahren nach Satz 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe mit der wellenlängenmodulierten Anregungsstrahlung (18) beaufschlagt wird und dass eine Transmission der Anregungsstrahlung (18) oder eine Emission der mit der Anregungsstrahlung (18) beaufschlagten Probe zeitabhängig gemessen wird.
  35. 35. Verfahren nach Satz 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmission oder Emission als Detektor-Signal mit einem Detektor (34) zeitabhängig gemessen wird, insbesondere mit einem optischen Detektor.
  36. 36. Verfahren nach Satz 35, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Detektor (34) aus dem zeitabhängigen Spektroskopie-Signal das zeitabhängige Detektor-Signal erzeugt wird.
  37. 37. Verfahren nach Satz 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (34) in Form einer Fotodiode (36) bereitgestellt wird.
  38. 38. Verfahren nach einem der Sätze 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Detektor-Signal verstärkt wird.
  39. 39. Verfahren nach einem der Sätze 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Detektor-Signal als zeitabhängiges Eingangs-Signal verwendet wird.
  40. 40. Verfahren nach einem der Sätze 21 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Demodulations-Signal analog und/oder digital verarbeitet und ausgegeben wird.
  41. 41. Verwendung eines Systems (10) nach einem der Sätze 1 bis 20 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Sätze 21 bis 40.
The above description thus includes in particular the embodiments of systems for wavelength-dependent spectroscopy and methods for evaluating measurement signals in wavelength-modulated spectroscopy, defined below in the form of numbered sentences:
  1. 1. System (10) for wavelength-modulated spectroscopy, in particular for absorption and emission spectroscopy, comprising a signal evaluation device (12) with a signal input (58), a mixing device (56) and a local oscillator (42) for generating a time-dependent local oscillator signal , which mixing device (56) is coupled to the signal input (58) and the local oscillator (42) for generating a time-dependent demodulation signal by mixing a time-dependent input signal present at the signal input (58) and the time-dependent local oscillator signal, characterized in that that the local oscillator is designed (42) to generate the time-dependent local oscillator signal in the form of a time-dependent trigonometric function, which is formed by additive superimposition of at least two time-dependent trigonometric functions.
  2. 2. System according to sentence 1, characterized in that the local oscillator (42) is designed to generate the at least two trigonometric functions in the form of sine or cosine functions.
  3. 3. System according to any one of the preceding sentences, characterized in that the local oscillator (42) is designed to generate the time-dependent local oscillator signal corresponding to the additive superimposition of a maximum of 10 trigonometric functions, in particular a maximum of five trigonometric functions.
  4. 4. System according to any one of the preceding sentences, characterized in that the local oscillator (42) is designed to specify the amplitude of each of the at least two time-dependent trigonometric functions.
  5. 5. System according to any one of the preceding sentences, characterized in that the local oscillator (42) is designed to specify the phase of each of the at least two time-dependent trigonometric functions.
  6. 6. System according to one of the preceding sentences, characterized in that the local oscillator (42) is designed to generate the at least two trigonometric functions with a demodulation frequency which corresponds to an integer multiple of a modulation frequency with which the input signal is modulated.
  7. 7. System according to one of the preceding sentences, characterized in that the local oscillator (42) is designed to generate the at least two trigonometric functions with a demodulation frequency which corresponds to an integer multiple of a modulation frequency increased or decreased by a frequency value.
  8. 8. System according to any one of the preceding sentences, characterized in that the local oscillator (42) is designed in the form of a first function generator (40).
  9. 9. System according to any one of the preceding sentences, characterized by a spectroscopy device (14) for measuring a time-dependent spectroscopy signal.
  10. 10. System according to sentence 9, characterized in that the spectroscopy device (14) comprises an excitation light source (16), in particular in the form of an excitation laser (20), for generating electromagnetic excitation radiation (18).
  11. 11. System according to sentence 10, characterized in that the excitation laser (20) is in the form of a laser diode (22).
  12. 12. System according to one of sentences 9 to 11, characterized in that the spectroscopy device (14) comprises a modulation device (28) for generating a modulation frequency and that the modulation device (28) is arranged and designed to interact with the excitation light source (16) for modulation a wavelength of the excitation radiation (18) with the modulation frequency.
  13. 13. System according to sentence 12, characterized in that the modulation device (29) is designed in the form of a second function generator (28).
  14. 14. System according to one of sentences 9 to 13, characterized in that the spectroscopy device (14) comprises a sample cell (32), in particular in the form of an absorption or emission cell, with the sample cell (32) in particular being arranged and designed in such a way that it can be acted upon by the excitation radiation (18) generated by the excitation light source (16).
  15. 15. System according to any one of sentences 9 to 14, characterized in that the spectroscopy device (14) comprises a detector (34), in particular in the form of an optical detector, and that the detector (34) is arranged such that one, in particular in the sample cell (32) arranged, sample emitted or transmitted radiation can be detected.
  16. 16. System according to sentence 15, characterized in that the detector (34) has a signal output and is designed to generate a detector signal which can be output in particular at the signal output.
  17. 17. System according to sentence 15 or 16, characterized in that the detector (34) is in the form of a photodiode (36).
  18. 18. System according to one of sentences 15 to 17, characterized in that the detector (34) is followed by an amplification device (38) or that the detector (34) comprises an amplification device (38) and that the amplification device (38) is designed for Amplifying the detector signal.
  19. 19. System according to one of sentences 16 to 18, characterized in that the signal output of the detector (34) is coupled to the signal input (58) of the signal evaluation device (12).
  20. 20. System according to any one of the preceding sentences, characterized in that the signal evaluation device (12) comprises a signal processing device (48) for processing the demodulation signal and a signal output device (52) for outputting the demodulation signal.
  21. 21. Method for evaluating measurement signals, in particular in wavelength-modulated spectroscopy, further in particular in absorption and emission spectroscopy, in which method a time-dependent local oscillator signal is generated and mixed with a time-dependent input signal to generate a time-dependent demodulation signal, thereby characterized in that the time-dependent local oscillator signal is generated in the form of a time-dependent trigonometric function, which is formed by additively superimposing at least two time-dependent trigonometric functions.
  22. 22. Method according to sentence 21, characterized in that the at least two time-dependent trigonometric functions are generated in the form of sine or cosine functions.
  23. 23. The method according to sentence 21 or 22, characterized in that the time-dependent local oscillator signal is generated by additive superimposition of a maximum of 10, in particular a maximum of five, trigonometric functions.
  24. 24. Method according to one of sentences 21 to 23, characterized in that the amplitudes of each of the at least two time-dependent trigonometric functions are specified.
  25. 25. Method according to one of sentences 21 to 24, characterized in that the phases of each of the at least two time-dependent trigonometric functions are specified.
  26. 26. Method according to one of sentences 21 to 25, characterized in that the at least two trigonometric functions are generated with a demodulation frequency which corresponds to an integer multiple of a modulation frequency with which the input signal is modulated.
  27. 27. The method according to any one of sentences 21 to 26, characterized in that the at least two trigonometric functions are generated with a demodulation frequency that is an integer corresponds to multiples of a modulation frequency increased or decreased by a frequency value.
  28. 28. The method according to sentences 21 to 27, characterized in that the time-dependent local oscillator signal is generated with a first function generator (40).
  29. 29. The method according to sentences 21 to 28, characterized in that a time-dependent spectroscopy signal is measured, which forms the input signal.
  30. 30. The method according to sentence 29, characterized in that an electromagnetic excitation radiation (18) is generated to excite a sample to be examined.
  31. 31. Method according to sentence 30, characterized in that the electromagnetic excitation radiation (18) is generated in the form of laser radiation.
  32. 32. Method according to one of sentences 29 to 31, characterized in that the wavelength of the electromagnetic excitation radiation (18) is modulated with a modulation frequency.
  33. 33. Method according to sentence 32, characterized in that the modulation frequency is generated with a second function generator (28).
  34. 34. The method according to sentence 32 or 33, characterized in that the sample is exposed to the wavelength-modulated excitation radiation (18) and that a transmission of the excitation radiation (18) or an emission of the sample exposed to the excitation radiation (18) is measured as a function of time.
  35. 35. The method according to sentence 34, characterized in that the transmission or emission is measured as a detector signal with a detector (34) as a function of time, in particular with an optical detector.
  36. 36. Method according to sentence 35, characterized in that the time-dependent detector signal is generated from the time-dependent spectroscopy signal with the detector (34).
  37. 37. The method according to sentence 35 or 36, characterized in that the detector (34) is provided in the form of a photodiode (36).
  38. 38. Method according to one of sentences 35 to 37, characterized in that the time-dependent detector signal is amplified.
  39. 39. Method according to one of sentences 35 to 38, characterized in that the time-dependent detector signal is used as a time-dependent input signal.
  40. 40. Method according to one of sentences 21 to 39, characterized in that the demodulation signal is processed and output in analog and/or digital form.
  41. 41. Use of a system (10) according to one of sentences 1 to 20 for carrying out a method according to one of sentences 21 to 40.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung eines Systems für die wellenlängenmodulierte Spektroskopie;
  • 2: eine schematische Darstellung der Erzeugung harmonischer Komponenten in der wellenlängenmodulierten Spektroskopie;
  • 3: eine Darstellung von Frequenzspektren eines PWM-Signals für Puls-Pause-Verhältnisse zwischen 0,05 und 0,5 mit einer Schrittweite von 0,05;
  • 4: eine beispielhafte Darstellung einer kosinusförmigen Modulation eines Anregungslasers mit zugehörigem Detektor-Ausgangssignal einer Probe;
  • 5: eine mathematische Darstellung eines zeitabhängigen Lokaloszillator-Signal durch Überlagerung von Kosinuskurven;
  • 6: mathematische Darstellung eines zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals durch Überlagerung von Kosinuskurven mit ganzzahligem Vielfachen n der Modulationsfrequenz und Frequenzversatz für die Heterodyn-Messtechnik;
  • 7: eine schematische Darstellung eines zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals im Zeit- und Frequenzbereich mit der Formel in 8;
  • 8: eine mathematische Darstellung eines zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals durch Überlagerung von fünf Kosinus-Schwingungen;
  • 9: eine beispielhafte Darstellung eines Demodulationssignals im Zeitraum (links) und im Frequenzraum (rechts);
  • 10: eine beispielhafte Darstellung zweier Lokaloszillator-Signale mit einerseits drei und andererseits zehn additiv überlagerten Kosinus-Funktionen;
  • 11: eine beispielhafte Darstellung zweier Lokaloszillator-Signale durch Überlagerung von jeweils fünf trigonometrischen Funktionen mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen;
  • 12: ein weiteres Beispiel einer Darstellung eines Eingangs-Signal und eines Lokaloszillatorsignal (links) sowie des durch Mischen erzeugten Demodulations-Signals (rechts); und
  • 13: eine beispielhafte Darstellung des Vergleichs zwischen Messung und Simulation eines auf 1 normierten Absorptionsbands von isotopenreinem Kohlenmonoxid (CO).
The following description of preferred embodiments of the invention is used in conjunction with the drawings for more detailed explanation. Show it:
  • 1 : a schematic representation of a system for wavelength-modulated spectroscopy;
  • 2 : a schematic representation of the generation of harmonic components in the wavelength-modulated spectroscopy;
  • 3 : a representation of frequency spectra of a PWM signal for pulse-pause ratios between 0.05 and 0.5 with an increment of 0.05;
  • 4 : an exemplary representation of a cosine-shaped modulation of an excitation laser with the associated detector output signal of a sample;
  • 5 : a mathematical representation of a time-dependent local oscillator signal by superimposing cosine curves;
  • 6 : mathematical representation of a time-dependent local oscillator signal by superimposing cosine curves with integer multiples n of the modulation frequency and frequency offset for heterodyne measurement technology;
  • 7 : a schematic representation of a time-dependent local oscillator signal in the time and frequency domain with the formula in 8th ;
  • 8th : a mathematical representation of a time-dependent local oscillator signal by superimposing five cosine oscillations;
  • 9 : an exemplary representation of a demodulation signal in the time domain (left) and in the frequency domain (right);
  • 10 : an exemplary representation of two local oscillator signals with on the one hand three and on the other hand ten additively superimposed cosine functions;
  • 11 : an exemplary representation of two local oscillator signals by superimposing five trigonometric functions each with different phase shifts;
  • 12 : another example of a representation of an input signal and a local oscillator signal (left) as well as the demodulation signal generated by mixing (right); and
  • 13 : an exemplary representation of the comparison between measurement and simulation of an absorption band normalized to 1 of isotopically pure carbon monoxide (CO).

In 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Systems für die wellenlängenmodulierte Spektroskopie schematisch dargestellt. Es umfasst eine Signalauswerteeinrichtung 12 und optional eine Spektroskopieeinrichtung 14.In 1 an exemplary embodiment of a system for wavelength-modulated spectroscopy, denoted overall by the reference numeral 10, is shown schematically. It includes a signal evaluation device 12 and optionally a spectroscopy device 14.

Die Spektroskopieeinrichtung 14 ist ausgebildet zum Messen eines zeitabhängigen Spektroskopie-Signals.The spectroscopy device 14 is designed to measure a time-dependent spectroscopy signal.

Die Spektroskopieeinrichtung umfasst eine Anregungslichtquelle 16 zum Erzeugen elektromagnetischer Anregungsstrahlung 18.The spectroscopy device includes an excitation light source 16 for generating electromagnetic excitation radiation 18.

Die Anregungslichtquelle 16 kann insbesondere in Form eines Anregungslasers 20 ausgebildet sein. Der Anregungslaser 20 kann insbesondere durch eine Laserdiode 22 gebildet werden. Beispielsweise kann es sich dabei um einen sogenannten Oberflächenlaser („Vertical Cavity Surface Emitting Laser“ - VCSEL“) handeln, der in Form eines einmodigen Dauerstrich-Halbleiterlasers ausgebildet ist. Bei diesem tritt das die Anregungsstrahlung 18 bildende Laserlicht senkrecht zur Oberfläche der dotierten Ebenen des Halbleiters aus.The excitation light source 16 can be embodied in particular in the form of an excitation laser 20 . The excitation laser 20 can be formed in particular by a laser diode 22 . For example, it can be a so-called surface laser (“Vertical Cavity Surface Emitting Laser”—VCSEL”), which is embodied in the form of a single-mode continuous-wave semiconductor laser. In this case, the laser light forming the excitation radiation 18 emerges perpendicularly to the surface of the doped planes of the semiconductor.

Optional kann die Laserdiode 22 mit einem Peltierelement-Stapel temperiert, das heißt auf einer konstanten Temperatur gehalten werden.Optionally, the laser diode 22 can be tempered with a Peltier element stack, that is to say it can be kept at a constant temperature.

Eine Ausgangsleistung des Anregungslasers 20 wird über einen Diodenstrom der Laserdiode 22 eingestellt. Die Wellenlänge der von der Laserdiode 22 emittierten Anregungsstrahlung 18 wird durch den Diodenstrom und die Temperatur der Laserdiode 22 beeinflusst.An output power of the excitation laser 20 is set via a diode current of the laser diode 22. The wavelength of the excitation radiation 18 emitted by the laser diode 22 is influenced by the diode current and the temperature of the laser diode 22 .

Eine Treibereinrichtung 24 steuert und überwacht die Laserdiode 22 sowie das optional integrierte Peltierelement. Die Treibereinrichtung 24, die insbesondere in Form eines Lasertreibers ausgebildet sein kann, kann insbesondere einen gleichbleibenden Strom zum Betrieb der Laserdiode 22 bereitstellen.A driver device 24 controls and monitors the laser diode 22 and the optionally integrated Peltier element. The driver device 24, which can be embodied in particular in the form of a laser driver, can in particular provide a constant current for operating the laser diode 22.

Die Treibereinrichtung 24 bietet die Option, ein externes Signal zur Modulation des Diodenstroms anzuschließen und umfasst hierfür einen Modulationseingang 26.The driver device 24 offers the option of connecting an external signal for modulation of the diode current and includes a modulation input 26 for this purpose.

Die Treibereinrichtung 24 wandelt eine angelegte Treiberspannung, die beispielsweise durch einen eine Modulationseinrichtung 29 bildenden Funktionsgenerator 28 bereitgestellt wird, mit einem Modulationskoeffizienten u = 10 m A V

Figure DE102018117642B4_0001
in einen Diodenstrom um. Die Laserdiode 22 kann mit einer Modulationsfrequenz, welche in einem Bereich zwischen 0 kHz und 100 kHz liegt, betrieben werden.The driver device 24 converts an applied driver voltage, which is provided, for example, by a function generator 28 forming a modulation device 29, with a modulation coefficient and = 10 m A V
Figure DE102018117642B4_0001
into a diode current. The laser diode 22 can be operated with a modulation frequency in a range between 0 kHz and 100 kHz.

Der Funktionsgenerator 28 stellt ein periodisches Signal zur Modulation des Diodenstroms bereit.The function generator 28 provides a periodic signal for modulating the diode current.

Als Übertragungsmedium für das vom Anregungslaser 20 definierte Laserlicht dient ein Lichtwellenleiter 30 in Form einer optischen Faser. Einen Lichtwellenleiter 30 zu verwenden gegenüber einer Freiraumübertragung hat den Vorteil, dass der in der Luft enthaltene Wasserdampf und weitere Unreinheiten ein Messsignal nicht verfälschen können.An optical waveguide 30 in the form of an optical fiber serves as the transmission medium for the laser light defined by the excitation laser 20 . To use an optical fiber 30 versus a free space transmission has the advantage that the water vapor contained in the air and other impurities cannot falsify a measurement signal.

Grundsätzlich sind mit der Spektroskopieeinrichtung 14 sowohl Emissions- als auch Absorptionsmessungen durchführbar.In principle, both emission and absorption measurements can be carried out with the spectroscopy device 14 .

Die Anregungsstrahlung 18 wird mit dem Lichtwellenleiter 30 zu einer Probenzelle 32 geführt. Es kann sich dabei um eine fasergekoppelte Absorptionszelle handeln mit einer Länge von beispielsweise 80 cm. Diese kann beispielsweise mit isotopenreinem Kohlenmonoxid (CO) mit einem Druck von 1 bar gefüllt werden. Diese Probenzelle kann insbesondere als Referenzzelle für Absorptionsmessungen dienen. Eine Absorptionsbande, die mehrere verschiedene Spektrallinien enthält, liegt für Kohlenmonoxid im Wellenlängenintervall von 1560 nm bis 1595 nm.The excitation radiation 18 is guided to a sample cell 32 with the optical waveguide 30 . It can be a fiber-coupled absorption cell with a length of 80 cm, for example. This can be filled, for example, with isotopically pure carbon monoxide (CO) at a pressure of 1 bar. This sample cell can be used in particular as a reference cell for absorption measurements. For carbon monoxide, an absorption band that contains several different spectral lines lies in the wavelength interval from 1560 nm to 1595 nm.

Das durch die Probenzelle 32 transmittierte Licht wird mit einem Detektor 34 in Form eines optischen Detektors aufgenommen. Der Detektor 34 kann insbesondere in Form einer Fotodiode 36 ausgebildet sein. Dabei kann es sich insbesondere um eine Indium-Gallium-Arsenid PIN-Fotodiode für den Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1600 nm mit einer aktiven Fläche von 70,7 µm2 handeln.The light transmitted through the sample cell 32 is recorded with a detector 34 in the form of an optical detector. The detector 34 can be designed in particular in the form of a photodiode 36 . In particular, this can be an indium gallium arsenide PIN photodiode for the wavelength range from 1000 nm to 1600 nm with an active area of 70.7 μm 2 .

Die Anschlüsse der Fotodiode 36 sind mit einer Verstärkungseinrichtung 38 verbunden.The terminals of the photodiode 36 are connected to an amplification device 38 .

Die Verstärkungseinrichtung 38 kann insbesondere ein Detektorsignal verstärken, und zwar indem Ströme mit einer Frequenz von bis zu 200MHz mit einer Transimpedanz von Q = 102 bis 10 8 V A

Figure DE102018117642B4_0002
in Spannungen umgewandelt werden.The amplifying device 38 can in particular amplify a detector signal, specifically by currents with a frequency of up to 200MHz with a transimpedance of Q=10 2 to 10 8th V A
Figure DE102018117642B4_0002
be converted into voltages.

In der beschriebenen Weise lässt sich so ein Detektorsignal in Form eines Stromes in ein Spannungssignal wandeln.In the manner described, a detector signal in the form of a current can be converted into a voltage signal.

Mit einem weiteren Funktionsgenerator 40, welcher einen Lokaloszillator 42 bildet, kann heterodyn zur Frequenz des Funktionsgenerators 28 ein Signal erzeugt werden, dessen spektrale Komponenten je einen Frequenzversatz δ zum Signal des Funktionsgenerators 28 aufweisen.With a further function generator 40, which forms a local oscillator 42, a signal can be generated heterodyne to the frequency of the function generator 28, the spectral components of which each have a frequency offset δ to the signal of the function generator 28.

Um einen Phasenversatz zwischen den Modulationssignalen der Funktionsgeneratoren 28 und 40 zu vermeiden, kann insbesondere ein Gerät verwendet werden, bei dem beide Funktionsgeneratoren 28 und 40 ihren Systemtakt aus einer gemeinsamen Signalquelle 43 ableiten.In order to avoid a phase offset between the modulation signals of the function generators 28 and 40, a device can be used in particular in which both function generators 28 and 40 derive their system clock from a common signal source 43.

Optional kann eine Mischeinrichtung 44 vorgesehen werden zum Mischen der Modulationssignale der beiden Funktionsgeneratoren 28 und 40. Die Mischung der beiden Modulationssignale der beiden Funktionsgeneratoren 28 und 40 ergibt ein Signal der Frequenz δ, das insbesondere zum Triggern einer Messwerterfassungseinrichtung 46 genutzt werden kann. Die Messwerterfassungseinrichtung 46 kann insbesondere in Form eines Oszilloskops oder auch eines einfachen Analog-Digital-Wandlers ausgebildet sein.Optionally, a mixing device 44 can be provided for mixing the modulation signals of the two function generators 28 and 40. The mixing of the two modulation signals of the two function generators 28 and 40 results in a signal of frequency δ, which can be used in particular to trigger a measured value acquisition device 46. The measured value acquisition device 46 can be designed in particular in the form of an oscilloscope or also a simple analog/digital converter.

Die Messwerte können über eine weitere geeignete Schnittstelle mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 48 in Form eines Computers 50 zur weiteren Datenanalyse übertragen werden. Insbesondere kann auch eine Signalausgabeeinrichtung 52 in Form eines Bildschirms oder eines Druckers mit dem Computer 50 gekoppelt werden, um die verarbeiteten Messsignale auszugeben.The measured values can be transmitted via a further suitable interface to a signal processing device 48 in the form of a computer 50 for further data analysis. In particular, a signal output device 52 in the form of a screen or a printer can also be coupled to the computer 50 in order to output the processed measurement signals.

Für die heterodyne Mischung des optional durch einen Filter 54 in Form eines Kerbfilters gefilterten Detektorsignals (RF) wird ein weiteres Signal benötigt, welches die Frequenzkomponenten Ω+δ, 2Ω+2δ,...,5Ω+5δ beinhaltet, wobei Ω die Modulationsfrequenz des Funktionsgenerators 28 ist und δ den heterodynen Frequenzversatz darstellt. Dieses Frequenzgemisch wird als sogenanntes One-Shot-Signal oder Lokaloszillator-Signal (LO) bezeichnet.For the heterodyne mixing of the detector signal (RF), optionally filtered by a filter 54 in the form of a notch filter, another signal is required which contains the frequency components Ω+δ, 2Ω+2δ,...,5Ω+5δ, where Ω is the modulation frequency of the Function generator 28 and δ represents the heterodyne frequency offset. This frequency mixture is referred to as a so-called one-shot signal or local oscillator signal (LO).

Grundsätzlich kann die Anzahl der Frequenzkomponenten auch größer als die dargestellten fünf Frequenzkomponenten sein. Hier wurde insbesondere die Anzahl n = 5 gewählt, da die Signalamplituden von Oberwellen des Detektorsignals mit steigender Ordnung abnehmen und es daher ab einer bestimmten Anzahl nicht mehr sinnvoll ist, Harmonische, also Oberwellen, auszuwerten.In principle, the number of frequency components can also be greater than the five frequency components shown. In particular, the number n=5 was selected here, since the signal amplitudes of harmonics of the detector signal decrease with increasing order and it is therefore no longer meaningful to evaluate harmonics, ie harmonics, from a certain number.

Das optional mit dem Filter 54 gefilterte Detektorsignal (RF) wird mit dem Modulationssignal des Funktionsgenerators 40, optional auch mit dem One-Shot-Signal, mittels der Mischeinrichtung 56 gemischt.The detector signal (RF) optionally filtered with the filter 54 is mixed with the modulation signal of the function generator 40, optionally also with the one-shot signal, by means of the mixing device 56.

Die Mischeinrichtung 56 weist einen Signaleingang 58 auf, an dem das Detektorsignal anliegt. Ferner umfasst die Mischeinrichtung 56 einen Modulationssignaleingang 60. Die Mischeinrichtung, auch als Mischer bezeichnet, weist ferner einen Mischerausgang 62 auf.The mixing device 56 has a signal input 58 at which the detector signal is present. The mixing device 56 also includes a modulation signal input 60 . The mixing device, also referred to as a mixer, also has a mixer output 62 .

Die Mischeinrichtung 56 ist ausgebildet zum Multiplizieren der am Signaleingang 58 und dem Modulationssignaleingang 60 anliegenden Signale. Diese werden am Mischerausgang 62 ausgegeben.The mixing device 56 is designed to multiply the signals present at the signal input 58 and the modulation signal input 60 . These are output at the mixer output 62.

Werden zwei verschiedene, heterodyne Signalfrequenzen an der Mischeinrichtung 56 angelegt, beispielsweise das mit der Modulationsfrequenz des Funktionsgenerators 28 modulierte Detektorsignal (RF) und das beschriebene, optionale One-Shot-Signal (LO), werden am Mischerausgang 62 Summen- und Differenzfrequenzen erzeugt. Dieser Prozess wird als Frequenzumsetzung bezeichnet und eignet sich dazu, eine Signalfrequenz zu erhöhen oder zu verringern.If two different, heterodyne signal frequencies are applied to the mixing device 56, for example the detector signal (RF) modulated with the modulation frequency of the function generator 28 and the described, optional one-shot signal (LO), sum and difference frequencies are generated at the mixer output 62. This process is called frequency translation and is useful for increasing or decreasing a signal's frequency.

Das am Mischerausgang 62 anliegende Signal bildet ein sogenanntes Zwischensignal (IF) oder Demodulations-Signal des Detektorsignals (RF).The signal present at the mixer output 62 forms a so-called intermediate signal (IF) or demodulation signal of the detector signal (RF).

Durch die heterodyne Mischung des Detektorsignals mit dem One-Shot-Signal wird der irrelevante Hochfrequenzsignalanteil bei der Modulationsfrequenz entfernt. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und das Ausgangssignal enthält die gewünschten Spektralkomponenten, die durch den Frequenzversatz δ voneinander separiert sind. Mit anderen Worten wird das Detektorsignal in einen niedrigeren Frequenzraum heruntergemischt, in welchem das heruntergemischte Signal mit der nachgeschalteten Messwerterfassungseinrichtung 46 genauer beziehungsweise besser und insbesondere kostengünstiger verarbeitet werden kann.The heterodyne mixing of the detector signal with the one-shot signal removes the irrelevant high-frequency signal component at the modulation frequency. This improves the signal-to-noise ratio and the output signal contains the desired spectral components that are separated from one another by the frequency offset δ. In other words, the detector signal is down-converted into a lower frequency space in which the down-converted signal can be processed more accurately or better and in particular more cost-effectively with the downstream measured value acquisition device 46 .

Dem Mischerausgang 62 ist ein Tiefpassfilter 64 nachgeschaltet, um Signale mit Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 64 abzuschwächen. Alle Frequenzkomponenten unterhalb der Grenzfrequenz passieren das Tiefpassfilter 64 ungehindert. Das Tiefpassfilter 64 dient insbesondere dazu, hochfrequente, kurzfristige Signalschwankungen zu unterdrücken und das periodisch wiederkehrende Messsignal zu glätten und langfristige Trends hervorzuheben.A low-pass filter 64 is connected downstream of the mixer output 62 in order to attenuate signals with frequencies above the limit frequency of the low-pass filter 64 . All frequency components below the cut-off frequency pass through the low-pass filter 64 unhindered. The low-pass filter 64 serves in particular to suppress high-frequency, short-term signal fluctuations and to smooth the periodically recurring measurement signal and to emphasize long-term trends.

In 2 ist schematisch der Ablauf der wellenlängenmodulierten Spektroskopie dargestellt.In 2 the process of wavelength-modulated spectroscopy is shown schematically.

Die Treibereinrichtung 24 regelt den Strom der Laserdiode 22. Die Laserdiode 22 emittiert Licht der Frequenz υ. Um die Wellenlänge des Anregungslasers 20 zu modulieren, wird die Treibereinrichtung 24 mit dem Modulations-Signal des Funktionsgenerators 28 mit einem Modulationshub a, einer Verstimmung c und einer Modulationsfrequenz fmod=Ω angesteuert. Beispielsweise kann fmod=50 kHz betragen. Die Modulationsfrequenz ist dabei sehr viel kleiner als die Frequenz der Anregungsstrahlung 18.The driver device 24 regulates the current of the laser diode 22. The laser diode 22 emits light of the frequency υ . In order to modulate the wavelength of the excitation laser 20, the driver device 24 is controlled with the modulation signal from the function generator 28 with a modulation deviation a, a detuning c and a modulation frequency f mod =Ω. For example, f mod =50 kHz. The modulation frequency is very much lower than the frequency of the excitation radiation 18.

Die Modulation der Laserfrequenz υ(t)wird beschrieben durch υ ( t ) = υ ¯ + α c o s ( ω mod t ) + c  und  ω mod = 2 π · ƒ m o d

Figure DE102018117642B4_0003
The modulation of the laser frequency υ(t) is described by υ ( t ) = υ ¯ + a c O s ( ω model t ) + c and ω model = 2 π · ƒ m O i.e
Figure DE102018117642B4_0003

Die modulierte Anregungsstrahlung 18 wird über den Lichtwellenleiter 30 zur Probenzelle 32 geleitet. Dort wird die Anregungsstrahlung 18 durch die Probe in der Probenzelle 32 teilweise absorbiert. Dies führt zu einer laserwellenlängenabhängigen Änderung der Amplitude des Absorptionssignals. Man kann beispielsweise annehmen, dass die einfallende Intensität der Anregungsstrahlung 18 über den gesamten zu vermessenden Frequenzbereich konstant ist.The modulated excitation radiation 18 is guided to the sample cell 32 via the optical waveguide 30 . There the excitation radiation 18 is partially absorbed by the sample in the sample cell 32 . This leads to a laser wavelength-dependent change in the amplitude of the absorption signal. One can assume, for example, that the incident intensity of the excitation radiation 18 is constant over the entire frequency range to be measured.

Der allgemeine Verlauf der Strahlungsdämpfung beziehungsweise einer Transmission I υ(t)) ist durch das Lambert-Beersche-Gesetz mit der Form e-a(υ) beschrieben. I ( υ , l ) = I 0 ( ν ) e a ( υ ) I

Figure DE102018117642B4_0004
/ ist dabei die Länge der Probenzelle 32, die von der Anregungsstrahlung 18 durchstrahlt wird.The general course of the radiation attenuation or a transmission I υ(t)) is described by the Lambert-Beersche law with the form e -a(υ) . I ( υ , l ) = I 0 ( v ) e a ( υ ) I
Figure DE102018117642B4_0004
/ is the length of the sample cell 32 through which the excitation radiation 18 passes.

Die Anregungsstrahlung 18 u(t) mit c=0 durchläuft die Probenzelle mit der Transmission I (υ) und wird vom Detektor 34 aufgefangen.The excitation radiation 18 u(t) with c=0 passes through the sample cell with the transmission I (υ) and is caught by the detector 34 .

Der Detektor 34 wandelt das optische Signal in ein elektrisches Signal um. Das am Detektor 34 durch das optische Signal erzeugte elektrische Signal enthält einen Gleichanteil und Signalanteile bei der Grundwelle der Modulationsfrequenz und bei deren harmonischen Anteilen, also bei den Oberwellen.The detector 34 converts the optical signal into an electrical signal. The electrical signal generated at the detector 34 by the optical signal contains a DC component and signal components at the fundamental wave of the modulation frequency and at its harmonic components, ie at the harmonics.

Durch die Verstärkungseinrichtung 38 werden die schwachen Signalpegel des Detektors 34 für die weitere Auswertung mit der Signalauswerteeinrichtung 12 angepasst.The amplification device 38 adapts the weak signal levels of the detector 34 for further evaluation with the signal evaluation device 12 .

Der zeitabhängige Term von I (υ(t)) ist eine gerade Funktion. Daher kann das Detektor-Signal durch folgende Kosinus-Fourier-Reihe dargestellt werden: I ( υ ¯ + α cos ( ω m o d t ) ) = n 1 H n ( υ ¯ , a ) cos ( n ω m o d t + ϕ n )

Figure DE102018117642B4_0005
The time-dependent term of I (υ(t)) is an even function. Therefore the detector signal can be represented by the following cosine Fourier series: I ( υ ¯ + a cos ( ω m O i.e t ) ) = n 1 H n ( υ ¯ , a ) cos ( n ω m O i.e t + ϕ n )
Figure DE102018117642B4_0005

Durch die Mischung mit dem One-Shot-Signal können die individuellen harmonischen Fourier-Komponenten Hn(υ,a) selektiert und dargestellt werden.Mixing with the one-shot signal allows the individual harmonic Fourier components H n (υ,a) to be selected and displayed.

Das beschriebene System 10 ermöglicht es somit insbesondere, die Anzahl der Oberwellen zu begrenzen und zudem, falls gewünscht, den Phasenversatz beliebig einzustellen. Zudem können Amplituden additiv überlagerter Kosinus-Funktionen, also der zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen, beliebig vorgegeben werden, und zwar mit deren Amplituden sowie mit ihrer Phase relativ zueinander und insbesondere zur Grundwelle, die mit den Funktionsgeneratoren 28 und 40 erzeugt wird.The system 10 described thus makes it possible, in particular, to limit the number of harmonics and also, if desired, to adjust the phase offset as desired. In addition, amplitudes of additively superimposed cosine functions, i.e. the time-dependent trigonometric functions, can be specified as desired, namely with their amplitudes and with their phase relative to one another and in particular to the fundamental wave, which is generated with the function generators 28 and 40.

Im Gegensatz dazu können bei Verwendung eines Lokaloszillator-Signals in Form eines PWM-Signals nur durch das Puls-Pause-Verhältnis Beziehungen zwischen den Amplituden und Phasenversätzen der Oberwellen global eingestellt werden. 3 zeigt hier beispielhaft Amplitudenverteilungen mit einem Lokaloszillator-Signal in Form eines PWM-Signals und additiver Überlagerung.In contrast to this, when using a local oscillator signal in the form of a PWM signal, relationships between the amplitudes and phase offsets of the harmonics can be set globally only by the mark-to-space ratio. 3 shows an example of amplitude distributions with a local oscillator signal in the form of a PWM signal and additive superimposition.

Aus 3 ist erkennbar, dass die Amplitudenwerte und damit die Existenz einer bestimmten Oberwelle im PWM-Signal vom Puls-Pause-Verhältnis, in 3 angegeben mit „duty“, abhängig ist. So sind zum Beispiel bei duty=0,5 nur ungeradzahlige Oberwellen enthalten.Out of 3 it can be seen that the amplitude values and thus the existence of a certain harmonic in the PWM signal depends on the mark-to-space ratio, in 3 specified with "duty", is dependent. For example, at duty=0.5 only odd-numbered harmonics are included.

In 3 sind Frequenzspektren eines PWM-Signals dargestellt, und zwar abgetragen für je ein Puls-Pause-Verhältnis zwischen 0,05 und 0,5 mit einer Schrittweite von 0,05. Die Verteilung der Oberwellen für ein Puls-Pause-Verhältnis zwischen 0,55 und 0,95 ergibt eine Verteilung analog zu der gezeigten.In 3 frequency spectra of a PWM signal are shown, plotted for a mark-to-space ratio between 0.05 and 0.5 with an increment of 0.05. The distribution of the harmonics for a mark-to-space ratio between 0.55 and 0.95 results in a distribution analogous to that shown.

In 4 ist die kosinusförmige Modulation des Anregungslasers 20 mit einer Frequenz von 1 kHz beispielhaft dargestellt. Ebenfalls im Zeitraum dargestellt ist das mit dem Detektor 34 gemessene Absorptions-Signal der Probe in der Probenzelle 32.In 4 the cosinusoidal modulation of the excitation laser 20 with a frequency of 1 kHz is shown as an example. The absorption signal of the sample in the sample cell 32 measured with the detector 34 is also shown in terms of time.

Die zwei Abschwächungen im Detektor-Signal kommen zustande, da die Modulation beim Auf- und Abschreiten des Kosinus-Verlaufs zweimal die Wellenlänge erzeugt, die von der Probe absorbiert wird. Daher sollte die Absorption, dargestellt durch die Einkerbung im Detektor-Signal, also den schmalbandigen Abfall der mit dem Detektor gemessenen Intensität der durch die Probe transmittierten Strahlung, stets achsensymmetrisch, also ohne Phasenverschiebung, bezogen auf ein Extremum des kosinusförmigen Modulations-Signals liegen. Dies wird durch die in 4 dargestellte Messung gut bestätigt.The two dips in the detector signal occur because the modulation as the cosine ramps up and down produces twice the wavelength absorbed by the sample. Therefore, the absorption, represented by the notch in the detector signal, i.e. the narrow-band drop in the intensity of the radiation transmitted through the sample measured with the detector, should always be axisymmetric, i.e. without phase shift, in relation to an extreme of the cosinusoidal modulation signal. This is through the in 4 shown measurement well confirmed.

Wie bereits dargelegt, wird als Lokaloszillator-Signal kein PWM-Signal verwendet, sondern ein Signal, das aus der additiven Überlagerung von Kosinuskurven, entsprechend möglich ist dies auch für Sinuskurven, gebildet wird. Die Überlagerung ergibt sich gemäß der in 5 gezeigten Gleichung.As already explained, no PWM signal is used as the local oscillator signal, but a signal that is formed from the additive superimposition of cosine curves, this is also possible for sine curves. The superposition results according to the in 5 equation shown.

In 6 dargestellt ist die Gleichung, die für die Überlagerung ganzzahliger Vielfacher einer Frequenz gilt, wie sie zum Beispiel für die Heterodyn-Messtechnik mit einem Frequenzversatz von δ benötigt wird. Lokaloszillator-Signale entsprechend den Gleichungen der 5 und 6 können ohne weiteres mit dem Funktionsgenerator 40 erzeugt werden.In 6 shown is the equation that applies to the superimposition of integer multiples of a frequency, such as is required for heterodyne measurement technology with a frequency offset of δ. Local oscillator signals according to the equations of 5 and 6 can easily be generated with the function generator 40.

Auf diese Weise lässt sich das Spektrum des Lokaloszillator-Signals wahlfrei gestalten das heißt, dass genau die Frequenz beziehungsweise Frequenzen, die für die Frequenzumsetzung des Detektor-Signals mit der Mischeinrichtung 44 benötigt werden, in dem Lokaloszillator-Signal enthalten sind. Dadurch können insbesondere auch Filter eingespart werden, die bei Verwendung eines PWM-Signals als Lokaloszillator-Signal, explizit realisiert werden müssen.In this way, the spectrum of the local oscillator signal can be configured freely, which means that the local oscillator signal contains exactly the frequency or frequencies that are required for the frequency conversion of the detector signal with the mixing device 44 . In this way, in particular, filters can also be saved, which must be implemented explicitly when using a PWM signal as a local oscillator signal.

Soll eine im Detektor-Signal enthaltene Frequenz nicht umgesetzt werden, wird die entsprechende Frequenz bei der Generierung des Lokaloszillator-Signals nicht eingefügt.If a frequency contained in the detector signal is not to be converted, the corresponding frequency is not inserted when the local oscillator signal is generated.

Ferner können durch die additive Überlagerung der trigonometrischen Funktionen die Amplituden An jeder Oberwelle separat eingestellt werden. So ist es insbesondere möglich, alle Frequenzkomponenten des Lokaloszillator-Signals mit der gleichen Amplitude vorzugeben. Ferner können auch die Phasen φn jeder Oberwelle separat eingestellt werden. Dadurch wird das Spektrum zwar nicht verändert, aber der Kurvenverlauf des Lokaloszillator-Signals im Zeitbereich.Furthermore, the amplitudes at each harmonic can be adjusted separately by the additive superimposition of the trigonometric functions. In particular, it is possible to specify all frequency components of the local oscillator signal with the same amplitude. Furthermore, the phases φ n of each harmonic can also be set separately. Although this does not change the spectrum, it does change the shape of the curve of the local oscillator signal in the time domain.

Durch eine optimale Phaseneinstellung aller im Lokaloszillator-Signal enthaltenen Oberwellen ist es insbesondere möglich, eine homogene Amplitudenverteilung des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals zu erreichen. Dies hat den Vorteil, dass im Lokaloszillator-Signal keine großen Peaks enthalten sind und eine maximale Amplitude der Oberwellen erreicht werden kann, ohne den Lokaloszillatoreingang, der durch den Modulations-Signaleingang 60 gebildet wird, zu übersteuern.Optimum phase adjustment of all harmonics contained in the local oscillator signal makes it possible, in particular, to achieve a homogeneous amplitude distribution of the time-dependent local oscillator signal. This has the advantage that the local oscillator signal does not contain any large peaks and a maximum amplitude of the harmonics can be achieved without overdriving the local oscillator input formed by the modulation signal input 60 .

Wird in der Gleichung der 6 δ ≠0 gewählt, lässt sich ein für die Heterodyn-Messtechnik nötiger Frequenzversatz des Lokaloszillator-Signals zum Modulations-Signal des Funktionsgenerators 28 realisieren.If in the equation the 6 If δ≠0 is selected, a frequency offset of the local oscillator signal with respect to the modulation signal of the function generator 28, which is necessary for the heterodyne measurement technique, can be implemented.

In ist ein Beispiel für ein Lokaloszillator-Signal im Zeit- und Frequenzbereich mit der in 8 angegebenen Formel dargestellt. Dabei sind: ω mod = 2 π ƒ mod = 1 ;   δ = 0 ;   n = 5 ;   π t π ;

Figure DE102018117642B4_0006
drei unterschiedliche Amplituden nämlich 1, ½ und 2 sowie drei unterschiedliche Phasen, nämlich 2 π 3 ,
Figure DE102018117642B4_0007
, 2 π 7
Figure DE102018117642B4_0008
und 2 π 11
Figure DE102018117642B4_0009
.In is an example of a local oscillator signal in the time and frequency domain with the in 8th given formula shown. There are: ω model = 2 π ƒ model = 1 ; δ = 0 ; n = 5 ; π t π ;
Figure DE102018117642B4_0006
three different amplitudes viz. 1, ½ and 2 and three different phases viz 2 π 3 ,
Figure DE102018117642B4_0007
, 2 π 7
Figure DE102018117642B4_0008
and 2 π 11
Figure DE102018117642B4_0009
.

Die in 8 dargestellte Gleichung zeigt somit beispielhaft ein Lokaloszillator-Signal, welches durch additive Überlagerung von fünf Kosinus-Schwingungen gebildet ist.In the 8th The equation shown thus shows, by way of example, a local oscillator signal which is formed by additively superimposing five cosine oscillations.

In 7 links ist dieses Lokaloszillator-Signal im Zeitbereich aufgetragen, in 7 rechts im Frequenzbereich.In 7 on the left this local oscillator signal is plotted in the time domain, in 7 right in the frequency domain.

Das in 7 dargestellte Lokaloszillator-Signal stellt ein Beispiel der allgemeingültigen Formel gemäß 6 dar.This in 7 The local oscillator signal shown is an example of the general formula according to 6 represent.

9 zeigt ein Beispiel des am Mischerausgang 66 anliegenden Demodulations-Signals im Zeit- und Frequenzbereich. Es sind hier 6 Oberwellen im Lokaloszillator-Signal vorgegeben, die auch im Demodulations-Signal gut erkennbar sind. 9 shows an example of the demodulation signal present at the mixer output 66 in the time and frequency domain. There are 6 harmonics in the local oscillator signal, which are also clearly visible in the demodulation signal.

In 10 sind beispielhaft Lokaloszillator-Signale dargestellt, die durch Überlagerung von drei Kosinus-Funktionen beziehungsweise von 10 Kosinus-Funktionen entstehen. Hier wurde auf eine Phasenverschiebung verzichtet. Zudem sind alle Kosinus-Funktionen mit derselben Amplitude überlagert.In 10 shows examples of local oscillator signals that are created by superimposing three cosine functions or 10 cosine functions. A phase shift was omitted here. In addition, all cosine functions are superimposed with the same amplitude.

11 zeigt ein weiteres Beispiel von zwei Lokaloszillator-Funktionen. Beide sind gebildet durch Überlagerung von jeweils fünf Kosinus-Funktionen. Bei der Funktion f(x) sind keine Phasenverschiebungen zwischen den Oberwellen vorgesehen, bei der Funktion g(x) ist die dritte Oberwelle um 180° phasenverschoben. Die zweite und die vierte Oberwelle bilden jeweils eine Sinusfunktion, was eine Verschiebung um je -90° gleichbedeutend mit einer Phasenverschiebung ist. 11 shows another example of two local oscillator functions. Both are formed by superimposing five cosine functions each. In the case of the function f(x), no phase shifts between the harmonics are provided, in the case of the function g(x), the third harmonic is phase-shifted by 180°. The second and fourth harmonics each form a sine function, which means that a shift of -90° is equivalent to a phase shift.

Der Vorteil der wahlfreien Überlagerung einer endlichen Anzahl von trigonometrischen Funktionen zum Lokaloszillator-Signal wird insbesondere aus 12 deutlich. In 12 links sind im Frequenzbereich das Detektor-Signal (RF-Signal) sowie das Lokaloszillator-Signal (LO-Signal) mit δ= 10Hz dargestellt.The advantage of randomly superimposing a finite number of trigonometric functions on the local oscillator signal is particularly evident 12 clear. In 12 On the left the detector signal (RF signal) and the local oscillator signal (LO signal) with δ= 10Hz are shown in the frequency range.

Das am Mischerausgang 62 anliegende Demodulationssignal nach Mischung des Detektor-Signal und des Lokaloszillator-Signals ist in der 12 rechts ebenfalls im Frequenzraum dargestellt, nun jedoch zu kleineren Frequenzen versetzt, nämlich Vielfachen des Frequenzversatzes δ.The demodulation signal present at the mixer output 62 after mixing the detector signal and the local oscillator signal is in the 12 also shown on the right in the frequency domain, but now shifted to lower frequencies, namely multiples of the frequency shift δ.

Schließlich zeigt 13 die hervorragende Übereinstimmung des mit dem System 10 gemessenen, auf 1 normierten Absorptionsbands von isotopenreinem Kohlenmonoxid CO im Vergleich zu dem theoretischen Wert des vom Informationssystem Hitran bereitgestellten Absorptionsbande für den für die Probe eingestellten Druck von 1 bar und die Absorptionslänge von 80 cm. Die gemessene Absorptionsbande liegt bei einer Wellenzahl von etwa 6321,3 cm-1, die einer Wellenlänge von 1582 nm entspricht, und stimmt mit dem theoretischen Wert sehr gut überein.Finally shows 13 the excellent agreement of the absorption band of isotopically pure carbon monoxide CO measured with the system 10 and normalized to 1 in comparison with the theoretical value of the absorption band provided by the information system Hitran for the pressure of 1 bar set for the sample and the absorption length of 80 cm. The measured absorption band is at a wave number of about 6321.3 cm -1 , which corresponds to a wavelength of 1582 nm, and agrees very well with the theoretical value.

Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren eignen sich insbesondere zur Anwendung in der wellenlängenmodulierten Laserspektroskopie.The systems and methods described above are particularly suitable for use in wavelength-modulated laser spectroscopy.

Die Signalauswerteeinrichtung 12 ist grundsätzlich für beliebige Mischanwendungen einsetzbar.In principle, the signal evaluation device 12 can be used for any mixed applications.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Systemsystem
1212
Signalauswerteeinrichtungsignal evaluation device
1414
Spektroskopieeinrichtungspectroscopy facility
1616
Anregungslichtquelleexcitation light source
1818
Anregungsstrahlungexcitation radiation
2020
Anregungslaserexcitation laser
2222
Laserdiodelaser diode
2424
Treibereinrichtungdriver setup
2626
Modulationseingangmodulation input
2828
Funktionsgeneratorfunction generator
2929
Modulationseinrichtungmodulation device
3030
Lichtwellenleiteroptical fiber
3232
Probenzellesample cell
3434
Detektordetector
3636
Fotodiodephotodiode
3838
Verstärkungseinrichtungreinforcement device
4040
Funktionsgeneratorfunction generator
4242
Lokaloszillatorlocal oscillator
4343
Signalquellesignal source
4444
Mischeinrichtungmixing device
4646
MesswerterfassungseinrichtungMeasured value acquisition device
4848
Signalverarbeitungseinrichtungsignal processing device
5050
Computercomputer
5252
Signalausgabeeinrichtungsignal output device
5454
Filterfilter
5656
Mischeinrichtungmixing device
5858
Signaleingangsignal input
6060
Modulationssignaleingangmodulation signal input
6262
Mischerausgangmixer output
6464
Tiefpassfilterlow pass filter

Claims (20)

System (10) für die wellenlängenmodulierte Spektroskopie, insbesondere für die Absorptions- und Emissionsspektroskopie, umfassend eine Signalauswerteeinrichtung (12) mit einem Signaleingang (58), eine Mischeinrichtung (56) und einen Lokaloszillator (42) zum Erzeugen eines zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals, welche Mischeinrichtung (56) mit dem Signaleingang (58) und dem Lokaloszillator (42) gekoppelt ist zum Erzeugen eines zeitabhängigen Demodulations-Signals durch Mischen eines am Signaleingang (58) anliegenden zeitabhängigen Eingangs-Signals und des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator ausgebildet (42) ist zum Erzeugen des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals in Form einer zeitabhängigen trigonometrischen Funktion, welche durch additive Überlagerung von mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen gebildet ist, und dass der Lokaloszillator (42) ausgebildet ist zum Vorgeben der Amplitude und der Phase jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen.System (10) for wavelength-modulated spectroscopy, in particular for absorption and emission spectroscopy, comprising a signal evaluation device (12) with a signal input (58), a mixing device (56) and a local oscillator (42) for generating a time-dependent local oscillator signal which Mixing device (56) is coupled to the signal input (58) and the local oscillator (42) for generating a time-dependent demodulation signal by mixing a time-dependent input signal present at the signal input (58) and the time-dependent local oscillator signal, characterized in that the Local oscillator (42) is designed to generate the time-dependent local oscillator signal in the form of a time-dependent trigonometric function, which is formed by additive superposition of at least two time-dependent trigonometric functions, and that the local oscillator (42) is designed to specify the amplitude and the phase of each the at least two time-dependent trigonometric functions. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (42) ausgebildet ist a) zum Erzeugen der mindestens zwei trigonometrischen Funktionen in Form von Sinus- oder Kosinusfunktionen und/oder b) ausgebildet ist zum Erzeugen des zeitabhängigen Lokaloszillator-Signals entsprechend der additiven Überlagerung von maximal 10 trigonometrischen Funktionen, insbesondere von maximal fünf trigonometrischen Funktionen.system after claim 1 , characterized in that the local oscillator (42) is designed a) to generate the at least two trigonometric functions in the form of sine or cosine functions and/or b) to generate the time-dependent local oscillator signal corresponding to the additive superimposition of a maximum of 10 trigonometric Functions, in particular a maximum of five trigonometric functions. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (42) a) ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Modulationsfrequenz entspricht, mit der das Eingangs-Signal moduliert ist und/oder b) ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz, die einem ganzzahligen Vielfachen einer um einen Frequenzwert vergrößerten oder verkleinerten Modulationsfrequenz entspricht, und/oder c) in Form eines ersten Funktionsgenerators (40) ausgebildet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the local oscillator (42) a) is designed to generate the at least two trigonometric functions with a demodulation frequency which corresponds to an integer multiple of a modulation frequency with which the input signal is modulated and/or b) is designed to generate the at least two trigonometric functions with a demodulation frequency that corresponds to an integer multiple of a modulation frequency increased or decreased by a frequency value, and/or c) is designed in the form of a first function generator (40). System nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Spektroskopieeinrichtung (14) zum Messen eines zeitabhängigen Spektroskopie-Signals.System according to one of the preceding claims, characterized by a spectroscopy device (14) for measuring a time-dependent spectroscopy signal. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektroskopieeinrichtung (14) a) eine Anregungslichtquelle (16), insbesondere in Form eines Anregungslasers (20), zum Erzeugen elektromagnetischer Anregungsstrahlung (18) umfasst, wobei insbesondere der Anregungslaser (20) in Form einer Laserdiode (22) ausgebildet ist, und/oder b) eine Modulationseinrichtung (28) umfasst zum Erzeugen einer Modulationsfrequenz und dass die Modulationseinrichtung (28) mit der Anregungslichtquelle (16) zusammenwirkend angeordnet und ausgebildet ist zum Modulieren einer Wellenlänge der Anregungsstrahlung (18) mit der Modulationsfrequenz, wobei insbesondere die Modulationseinrichtung (29) in Form eines zweiten Funktionsgenerators (28) ausgebildet ist und/oder c) eine Probenzelle (32) umfasst, insbesondere in Form einer Absorptions- oder Emissionszelle, wobei insbesondere die Probenzelle (32) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie mit der von der Anregungslichtquelle (16) erzeugten Anregungsstrahlung (18) beaufschlagbar ist.system after claim 4 , characterized in that the spectroscopy device (14) comprises a) an excitation light source (16), in particular in the form of an excitation laser (20), for generating electromagnetic excitation radiation (18), in particular the excitation laser (20) in the form of a laser diode (22) is formed, and / or b) comprises a modulation device (28) for generating a modulation frequency and that the modulation device (28) is arranged to interact with the excitation light source (16) and is designed to modulate a wavelength of the excitation radiation (18) with the modulation frequency, wherein in particular the modulation device (29) is designed in the form of a second function generator (28) and/or c) comprises a sample cell (32), in particular in the form of an absorption or emission cell, with the sample cell (32) in particular being arranged and formed in such a way that they are exposed to the excitation radiation (18) generated by the excitation light source (16). is storable. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektroskopieeinrichtung (14) einen Detektor (34) umfasst, insbesondere in Form eines optischen Detektors, und dass der Detektor (34) derart angeordnet ist, dass von einer, insbesondere in der Probenzelle (32) angeordneten, Probe emittierte oder transmittierte Strahlung detektierbar ist.system after claim 4 or 5 , characterized in that the spectroscopy device (14) comprises a detector (34), in particular in the form of an optical detector, and in that the detector (34) is arranged in such a way that a sample emitted, in particular in the sample cell (32). or transmitted radiation can be detected. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (34) einen Signalausgang aufweist und ausgebildet ist zum Erzeugen eines Detektorsignals, welches insbesondere am Signalausgang ausgebbar ist.system after claim 6 , characterized in that the detector (34) has a signal output and is designed to generate a detector signal which can be output in particular at the signal output. System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Detektor (34) in Form einer Fotodiode (36) ausgebildet ist und/oder b) dem Detektor (34) eine Verstärkungseinrichtung (38) nachgeschaltet ist oder der Detektor (34) eine Verstärkungseinrichtung (38) umfasst und die Verstärkungseinrichtung (38) ausgebildet ist zum Verstärken des Detektorsignals.system after claim 6 or 7 , characterized in that a) the detector (34) is designed in the form of a photodiode (36) and/or b) the detector (34) is followed by an amplification device (38) or the detector (34) comprises an amplification device (38) and the amplification device (38) is designed to amplify the detector signal. System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang des Detektors (34) mit dem Signaleingang (58) der Signalauswerteeinrichtung (12) gekoppelt ist.system after claim 7 or 8th , characterized in that the signal output of the detector (34) is coupled to the signal input (58) of the signal evaluation device (12). System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerteeinrichtung (12) eine Signalverarbeitungseinrichtung (48) zum Verarbeiten des Demodulations-Signals und eine Signalausgabeeinrichtung (52) zum Ausgeben des Demodulations-Signals umfasst.System according to one of the preceding claims, characterized in that the signal evaluation device (12) comprises a signal processing device (48) for processing the demodulation signal and a signal output device (52) for outputting the demodulation signal. Verfahren zum Auswerten von Messsignalen, insbesondere bei der wellenlängenmodulierten Spektroskopie, weiter insbesondere bei der Absorptions- und Emissionsspektroskopie, bei welchem Verfahren ein zeitabhängiges Lokaloszillator-Signal erzeugt und mit einem zeitabhängigen Eingangs-Signal gemischt wird zum Erzeugen eines zeitabhängigen Demodulations-Signals, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Lokaloszillator-Signal in Form einer zeitabhängigen trigonometrischen Funktion erzeugt wird, welches durch additive Überlagerung von mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen gebildet wird, und dass die Amplituden und die Phasen jeder der mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen vorgegeben werden.Method for evaluating measurement signals, in particular in wavelength-modulated spectroscopy, further in particular in absorption and emission spectroscopy, in which method a time-dependent local oscillator signal is generated and mixed with a time-dependent input signal to generate a time-dependent demodulation signal, characterized in that that the time-dependent local oscillator signal is generated in the form of a time-dependent trigonometric function, which is formed by additive superposition of at least two time-dependent trigonometric functions, and that the amplitudes and the phases of each of the at least two time-dependent trigonometric functions are specified. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens zwei zeitabhängigen trigonometrischen Funktionen in Form von Sinus- oder Kosinusfunktionen erzeugt werden und/oder b) das zeitabhängige Lokaloszillator-Signal durch additive Überlagerung von maximal 10, insbesondere maximal fünf, trigonometrischen Funktionen erzeugt wird.procedure after claim 11 , characterized in that a) the at least two time-dependent trigonometric functions are generated in the form of sine or cosine functions and/or b) the time-dependent local oscillator signal is generated by additive superimposition of a maximum of 10, in particular a maximum of five, trigonometric functions. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz erzeugt werden, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Modulationsfrequenz entspricht, mit der das Eingangs-Signal moduliert wird, und/oder b) die mindestens zwei trigonometrischen Funktionen mit einer Demodulationsfrequenz erzeugt werden, die einem ganzzahligen Vielfachen einer um einen Frequenzwert vergrößerten oder verkleinerten Modulationsfrequenz entspricht, und/oder c) das zeitabhängige Lokaloszillator-Signal mit einem ersten Funktionsgenerator (40) erzeugt wird.procedure after claim 11 or 12 , characterized in that a) the at least two trigonometric functions are generated with a demodulation frequency which corresponds to an integer multiple of a modulation frequency with which the input signal is modulated, and/or b) the at least two trigonometric functions are generated with a demodulation frequency , which corresponds to an integer multiple of a modulation frequency increased or decreased by a frequency value, and/or c) the time-dependent local oscillator signal is generated with a first function generator (40). Verfahren nach Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitabhängiges Spektroskopie-Signal gemessen wird, welches das Eingangs-Signal bildet, wobei insbesondere eine elektromagnetische Anregungsstrahlung (18) erzeugt wird zum Anregen einer zu untersuchenden Probe, wobei weiter insbesondere die elektromagnetische Anregungsstrahlung (18) in Form von Laserstrahlung erzeugt wird.procedure after Claims 11 until 13 , characterized in that a time-dependent spectroscopy signal is measured, which forms the input signal, with in particular an electromagnetic excitation radiation (18) being generated to excite a sample to be examined, with the further in particular the electromagnetic excitation radiation (18) in the form of laser radiation is produced. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der elektromagnetischen Anregungsstrahlung (18) mit einer Modulationsfrequenz moduliert wird, wobei insbesondere die Modulationsfrequenz mit einem zweiten Funktionsgenerator (28) erzeugt wird.procedure after Claim 14 , characterized in that the wavelength of the electromagnetic excitation radiation (18) is modulated with a modulation frequency, in particular the modulation frequency being generated with a second function generator (28). Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe mit der wellenlängenmodulierten Anregungsstrahlung (18) beaufschlagt wird und dass eine Transmission der Anregungsstrahlung (18) oder eine Emission der mit der Anregungsstrahlung (18) beaufschlagten Probe zeitabhängig gemessen wird.procedure after claim 15 , characterized in that the sample is exposed to the wavelength-modulated excitation radiation (18) and that a transmission of the excitation radiation (18) or an emission of the excitation radiation (18) exposed sample is measured as a function of time. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmission oder Emission als Detektor-Signal mit einem Detektor (34) zeitabhängig gemessen wird, insbesondere mit einem optischen Detektor.procedure after Claim 16 , characterized in that the transmission or emission is measured as a detector signal with a detector (34) as a function of time, in particular with an optical detector. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass a) mit dem Detektor (34) aus dem zeitabhängigen Spektroskopie-Signal das zeitabhängige Detektor-Signal erzeugt wird und/oder b) der Detektor (34) in Form einer Fotodiode (36) bereitgestellt wird und/oder c) das zeitabhängige Detektor-Signal verstärkt wird und/oder d) das zeitabhängige Detektor-Signal als zeitabhängiges Eingangs-Signal verwendet wird.procedure after Claim 17 , characterized in that a) the time-dependent detector signal is generated from the time-dependent spectroscopy signal with the detector (34) and/or b) the detector (34) is provided in the form of a photodiode (36) and/or c) the time-dependent detector signal is amplified and/or d) the time-dependent detector signal is used as a time-dependent input signal. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Demodulations-Signal analog und/oder digital verarbeitet und ausgegeben wird.Procedure according to one of Claims 11 until 18 , characterized in that the demodulation signal is processed and output in analog and/or digital form. Verwendung eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 19.Use of a system (10) according to one of Claims 1 until 10 for carrying out a method according to one of Claims 11 until 19 .
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