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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung ortsaufgelöster Photoakustik.
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Es ist bekannt, zur Untersuchung einer Probe, photoakustische Spektroskopie bzw. photoakustische Bildgebung einzusetzen. Dabei handelt es sich um nicht-invasive Verfahren, die die strukturelle, funktionelle und/oder molekulare Analyse einer Probe ermöglichen.
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Die Methoden beruhen auf dem photoakustischen Effekt, d.h. der Umwandlung von Licht in Schallwellen durch Absorption von elektromagnetischen Wellen. Dabei führt die lokale Absorption von Licht zur schlagartigen lokalen Erwärmung der Probe und zu daraus resultierender thermischer Expansion. Hierdurch werden akustische Wellen, insbesondere im Ultraschallbereich, erzeugt. Die Messung der akustischen Wellen erfolgt mit einem elektroakustischen Wandler. Mit anderen Worten wird eine zu untersuchende Probe mit Licht angeregt und die akustische Antwort der Probe mit einem Mikrofon erfasst, um beispielsweise Defekte der Probe zu erfassen.
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Die bekannten Vorrichtungen sehen vor, die Probe unter hohem Zeitaufwand Punkt für Punkt abzurastern bzw. abzuscannen. Derlei Vorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 10 2014 012 364 B4 , der
US 6 590 661 B1 und der
US 2014 / 0 050 489 A1 bekannt geworden.
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Die
WO 2012/ 161 104 A1 und
US 2005 / 0 004 458 A1 offenbaren jeweils eine medizinische Messvorrichtung.
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Aus der
EP 0 749 011 A2 ist die Durchführung photoakustischer Messungen in einem Messrohr an Gasen oder Flüssigkeiten bekannt geworden.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung ortsaufgelöster Photoakustik bereit zu stellen, wobei die Photoakustik besonders schnell, effizient und damit kostengünstig durchführbar ist bzw. durchgeführt wird.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11. Die rückbezogenen Patentansprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung photoakustischer Spektroskopie und/oder photoakustischer Bildgebung. Die Vorrichtung weist einen Probenhalter zur Anordnung einer Probe, eine Lichtstrahleinrichtung zur Beleuchtung der Probe sowie einen elektroakustischen Wandler, d.h. ein „Mikrofon“, zur Detektion von auf der Probe erzeugten akustischen Wellen auf. Die Lichtstrahleinrichtung ist dazu ausgebildet, mehrere, insbesondere parallele, örtlich und zeitlich getrennte Lichtstrahlen bzw. Lichtpulse auf die Probe auszusenden. Die Lichtstrahleinrichtung ist dabei vorzugsweise dazu ausgebildet, die Lichtstrahlen weniger als 1µs, vorzugsweise zwischen 0,1ns und 10ns, insbesondere zwischen 0,4ns und 4ns, besonders bevorzugt zwischen 0,5ns und Ins, voneinander zu beabstanden. Durch die praktisch gleichzeitige Bestrahlung mehrerer Punkte der Probe mit mehreren Lichtstrahlen ist die Vorrichtung in der Lage, schnell einen großen Bereich der Probe auszumessen. Dabei kann die Vorrichtung jedoch durch die minimal zeitlich zueinander verzögerten Lichtstrahlen immer noch die einzelnen Detektionsergebnisse des elektroakustischen Wandlers jeweils einem bestimmten Abstand der Probenpunkte vom elektroakustischen Wandler, d.h. einem bestimmten Ort auf der Probe, zuordnen.
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Die Probe kann Teil der Vorrichtung sein.
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Die Lichtquelle kann in Form eines Lasers ausgebildet sein.
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Die Lichtstrahleinrichtung weist eine einzige Lichtquelle, insbesondere in Form eines Lasers, zur Abstrahlung eines primären Lichtstrahls und einen Strahlteiler zur Aufteilung des primären Lichtstrahls in mehrere, örtlich voneinander getrennte sekundäre Lichtstrahlen auf. Der Strahlteiler kann dazu ausgebildet sein, den primären Lichtstrahl in mehr als zwei, insbesondere mehr als 5, vorzugsweise mehr als 10 sekundäre Lichtstrahlen aufzuspalten.
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Der Strahlteiler kann dazu ausgebildet sein, sekundäre Lichtstrahlen zu bilden, die in zwei verschiedene Richtungen zueinander beabstandet sind. Die Richtungen können senkrecht zueinander stehen. Mit anderen Worten breiten sich die Lichtstrahlen in zueinander parallelen Ausbreitungsrichtungen aus, wobei die Lichtstrahlen lateral zueinander versetzt sind. Der Strahlteiler bildet dann ein sich in der Fläche erstreckendes Multilichtspot-Array aus. Der Strahlteiler ermöglicht, anstelle einer punktuellen Anregung, eine Anregung mit einer Vielzahl punktförmiger Anregungen in der Fläche durchzuführen.
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Die Lichtstrahleinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Probe mit punktförmigen sekundären Lichtstrahlen zu bestrahlen. Hierdurch kann eine besonders präzise örtliche Zuordnung der akustischen Wellen erfolgen.
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Die Lichtstrahleinrichtung weist eine dem Strahlteiler nachgeschaltete Strahlbremseinrichtung auf. Die Verwendung einer einzigen Lichtquelle, deren Licht in mehrere Lichtstrahlen aufgespalten und diese unterschiedlich verzögert werden, erlaubt die konstruktiv einfache und besonders kosteneffektive Ausbildung der Vorrichtung.
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Die Strahlbremseinrichtung weist mehrere jeweils unterschiedlich verzögernde Strahlbremser auf. Hierdurch kann ein großer Probenbereich mit hoher Auflösung praktisch simultan photoakustisch vermessen werden.
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Die Strahlbremser müssen nicht jeweils einen individuellen Abstand zum elektroakustischen Wandler aufweisen. Beispielsweise können zwei Strahlbremser denselben Abstand zum elektroakustischen Wandler aufweisen, aber die jeweiligen sekundären Lichtstrahlen so unterschiedlich stark verzögern, dass dennoch eine eindeutige Zuordnung der durch die jeweiligen sekundären Lichtstrahlen ausgelösten Signale möglich ist. Um die Zuordnung der die jeweiligen Strahlbremser passierenden sekundären Lichtstrahlen zu erleichtern, weisen die Strahlbremser jedoch vorzugsweise jeweils einen individuellen Abstand zum elektroakustischen Wandler auf.
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Die Vorrichtung kann einen Kollimator aufweisen, um den Strahlteiler gleichmäßig zu beleuchten.
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Die Strahlbremser sind besonders bevorzugt derart an der Strahlbremseinrichtung angeordnet oder ausgebildet, dass die Verzögerung durch die jeweiligen Strahlbremser mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt der Strahlbremseinrichtung zunehmen. Dies ist insbesondere im Falle eines mittig im Bereich der Strahlbremseinrichtung angeordneten elektroakustischen Wandlers bedeutsam. Denn andernfalls kann es vorkommen, dass die weiter vom Mittelpunkt der Strahlbremseinrichtung ausgestrahlten Lichtstrahlen zwar schneller auf der Probe ankommen als die Lichtstrahlen im Bereich des Mittelpunkts der Probe. Allerdings sind die akustischen Signallaufzeiten der weiter vom Mittelpunkt angeregten akustischen Wellen zum elektroakustischen Wandler länger, sodass es vorkommen kann, dass sich die beiden Effekte (schnelles Auftreffen des Lichts auf der Probe aber langsame Ausbreitung auf der Probe) kompensieren, wodurch die vom elektroakustischen Wandler aufgenommenen Signale keinem genauen Ort auf der Probe zugeordnet werden können.
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Die Vorrichtung kann Strahlbremser aufweisen, die in Form einer zweidimensionalen Matrix, also in zwei unterschiedliche Richtungen einer Ebene, zueinander versetzt angeordnet oder ausgebildet sind. Hierdurch kann die Probe flächig bestrahlt werden.
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Die Strahlbremser können äquidistant zu ihren nächstbenachbarten Strahlbremsern angeordnet oder ausgebildet sein, um die Probe gleichmäßig untersuchen zu können.
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Ein Strahlbremser kann Kunststoff, insbesondere einen hochbrechenden Kunststoff, aufweisen. Ein Strahlbremser kann ein hochbrechendes Glas aufweisen, um den, den Strahlbremser durchlaufenden sekundären Lichtstrahl besonders effektiv zu verzögern. Vorzugsweise weist die Mehrzahl der Strahlbremser, insbesondere alle Strahlbremser, einen hochbrechenden Kunststoff und/oder ein hochbrechendes Glas auf. Der Brechungsindex des hochbrechenden Glases ist für Licht im sichtbaren Bereich vorzugsweise größer 1,6, insbesondere größer 1,65. Als hochbrechendes Glas kann beispielsweise Flint F2, Dense flint SF10, Lanthanum dense flint LaSF9 und/oder Polycarbonat eingesetzt werden.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Strahlbremser eine für das eingesetzte Licht transparente Faser, insbesondere eine Glasfaser, aufweisen. Vorzugweise weist die Mehrzahl der Strahlbremser, insbesondere alle Strahlbremser, eine solche Faser auf. Die Faser kann in Form einer Solid-Core-Faser oder einer Hollow-Core-Faser ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weisen alle Fasern der Strahlbremser jeweils eine unterschiedliche Länge auf.
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Zumindest zwei, insbesondere die Mehrzahl, vorzugsweise alle, Strahlbremser können aus demselben Material ausgebildet sein. Die Strahlbremser sind dabei vorzugsweise in Durchstrahlrichtung unterschiedlich lang ausgebildet. Hierdurch kann die Strahlbremseinrichtung auf konstruktiv besonders einfache Art und Weise ausgebildet werden.
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In weiter vorteilhafter, weil konstruktiv besonders einfacher Ausbildung, weist die Strahlbremseinrichtung eine für die eingesetzten sekundären Lichtstrahlen durchsichtige Platte auf. An der Platte kann/können zumindest ein Strahlbremser, insbesondere mehrere Strahlbremser, vorzugsweise alle Strahlbremser, angeordnet oder - bevorzugt - ausgebildet sein. Die Platte kann vollständig transparent ausgebildet sein.
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Die Strahlbremseinrichtung ist dabei besonders bevorzugt einteilig ausgebildet.
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Die Strahlbremseinrichtung kann gefräst, aus verschiedenen Optikkomponenten zusammengeklemmt bzw. geklebt sein und/oder mittels eines 3D-Druckers ausgebildet sein.
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Um die optische Durchlässigkeit der Strahlbremseinrichtung zu optimieren, kann die Strahlbremseinrichtung an ihrer dem Strahlteiler zugewandten und/oder abgewandten Seite eine Antireflexionsbeschichtung aufweisen.
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Der Strahlteiler kann ein diffraktives optisches Element (DOE) und/oder ein Mikrolinsenarray zum Aufteilen des primären Lichtstrahls in die sekundären Lichtstrahlen aufweisen. Der Strahlteiler kann in Form eines diffraktiven optischen Elements und/oder in Form eines Mikrolinsenarrays ausgebildet sein.
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Um die Zuordnung des zu einer bestimmten Zeit eintreffenden akustischen Signals auf möglichst einfache Art und Weise einer Position auf der Probe zuordnen zu können, ist der elektroakustische Wandler vorzugsweise mittig zur Probe, insbesondere mittig zum Probenhalter, angeordnet. Der elektroakustische Wandler kann mittig am oder in der Strahlbremseinrichtung angeordnet oder ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist der elektroakustische Wandler in die Strahlbremseinrichtung integriert.
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Um die Vorrichtung konstruktiv einfach zu halten, weist die Vorrichtung bevorzugt nur einen einzigen elektroakustischen Wandler zur Detektion der auf der Probe erzeugten akustischen Wellen auf.
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Die Vorrichtung kann ein Oszilloskop zur Verarbeitung bzw. Darstellung des vom elektroakustischen Wandlers ausgegebenen Ausgangssignals aufweisen. Das Oszilloskop ist vorzugsweise dazu ausgebildet, mehr als 1 G Sample/s, insbesondere mehr als 10 G Sample/s, vorzugsweise mehr als 100 G Sample/s zu erzielen. Hierdurch können zeitlich besonders wenig zueinander versetzte akustische Wellen noch getrennt voneinander bewertet und örtlichen Positionen der Probe zugeordnet werden.
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Im Strahlengang der Vorrichtung kann/können ein oder mehrere weitere optische Elemente, beispielsweise Fokussierlinsen, angeordnet sein.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Strahlteiler in Form eines Faser-Splitters ausgebildet. Besonders bevorzugt sind sowohl der Strahlteiler als auch die Strahlbremseinrichtung faseroptisch ausgebildet. Hierdurch kann die Vorrichtung insgesamt konstruktiv besonders einfach und kostengünstig ausgebildet werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur photoakustischen Bildgebung und/oder photoakustischen Spektroskopie, mittels einer hier beschriebenen Vorrichtung, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
- A) Aufteilen eines primären Lichtstrahls in mehrere sekundäre Lichtstrahlen;
- B) Insbesondere punktuelle, Beleuchtung einer Probe mit den sekundären Lichtstrahlen, wobei zumindest ein sekundärer Lichtstrahl gegenüber einem weiteren sekundären Lichtstrahl abgebremst wird, sodass er nach dem weiteren sekundären Lichtstrahl auf der Probe auftrifft;
- C) Erfassen von auf der Probe durch die sekundären Lichtstrahlen angeregten akustischen Wellen mit einem elektroakustischen Wandler.
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Vor, nach oder zwischen den zuvor beschriebenen Verfahrensschritten kann/können ein oder mehrere weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden.
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In dem Verfahren kann als primärer Lichtstrahl ein Laserstrahl eingesetzt werden.
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Vorzugsweise wird in dem Verfahren als primärer Lichtstrahl ein gepulster Lichtstrahl eingesetzt. Die Pulsdauer beträgt vorzugsweise weniger als 1000ns, insbesondere weniger als 100ns, besonders bevorzugt weniger als 10ns.
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In einer bevorzugten Variante des Verfahrens werden zwei sekundäre Lichtstrahlen, insbesondere zwei benachbarte sekundäre Lichtstrahlen, zueinander zwischen 0,01ns und 50ns verzögert. Weiter bevorzugt werden im Verfahren die Mehrzahl der sekundären Lichtstrahlen, insbesondere alle sekundären Lichtstrahlen, jeweils zu einem anderen sekundären Lichtstrahl zwischen 0,01ns und 10ns verzögert.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Erläuterung des photoakustischen Effekts.
- 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Durchführen einer photoakustischen Messung unter Einsatz des photoakustischen Effekts gemäß 1.
- 3 zeigt eine schematische teilweise Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zum Durchführen einer photoakustischen Messung.
- 4 zeigt den Verlauf von Brechungsindizes verschiedener Gläser über der Wellenlänge von die Gläser durchstrahlendem Licht, wobei die Gläser in den Vorrichtungen gemäß den 2 oder 3 einsetzbar sind.
- 5 zeigt eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zum Durchführen einer photoakustischen Messung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Einsatz von Photoakustik beim Analysieren einer Probe 12. Dabei wird die Probe 12 mit einem Lichtstrahl 14, insbesondere in Form eines Lichtpulses, vorzugsweise in Form eines Laserpulses, bestrahlt. Der in der Probe 12 absorbierte Lichtstrahl 14 führt zu einer thermischen Expansion 16 und weiter zu einer akustischen Welle 18. Diese kann in einem elektroakustischen Wandler 20 ein elektrisches Signal erzeugen, das in einem Oszilloskop 22 dargestellt wird.
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Soll mit der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ein größerer Bereich der Probe 12 untersucht werden, so muss der Lichtstrahl 14 Untersuchungspunkt für Untersuchungspunkt verschoben werden (in 1 nicht dargestellt). Die Untersuchung wird dadurch sehr zeitaufwändig und teuer.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist einen Probenhalter 24 zur Aufnahme der Probe 12 auf. Zur Untersuchung der Probe 12 weist die Vorrichtung 10 eine Lichtstrahleinrichtung 26 auf. Die Lichtstrahleinrichtung 26 weist eine Lichtquelle 28, hier eine einzige Lichtquelle 28, auf. Die Lichtquelle 28 kann in Form einer Laserlichtquelle ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Lichtquelle 28 dazu ausgebildet, Lichtpulse, insbesondere Lichtpulse mit einer Dauer von weniger als 100ns, vorzugsweise von weniger als 10ns, abzugeben. Die Lichtquelle 28 erzeugt einen primären Lichtstrahl 14a, der vorzugsweise aus einer Vielzahl von Lichtpulsen besteht. Der primäre Lichtstrahl 14a kann durch einen Kollimator 30 geformt werden.
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Der primäre Lichtstrahl 14a trifft auf einen Strahlteiler 32, der den primären Lichtstrahl 14a in mehrere, insbesondere mehr als 5, vorzugsweise mehr als 10, besonders bevorzugt mehr als 15, sekundäre Lichtstrahlen 14b aufteilt. Der Strahlteiler 32 ist vorzugsweise in Form eines plattenförmigen diffraktiven optischen Elements oder in Form eines plattenförmigen Mikrolinsenarrays ausgebildet. Weiter bevorzugt ist der Strahlteiler 32 einstückig ausgebildet. Der Strahlteiler 32 ist vorzugsweise flächig ausgebildet, und strahlt in zwei verschiedene Richtungen voneinander beabstandete sekundäre Lichtstrahlen 14b aus. Mit anderen Worten ist der Strahlteiler 32 dazu ausgebildet, ein Multilichtspot-Array, insbesondere in Form eines Multilaserspot-Arrays, aus sekundären Lichtstrahlen 14b zu bilden. Um die Effektivität des Strahlteilers 32 zu erhöhen, kann dieser auf seiner Eingangsseite eine Antireflexionsbeschichtung 34 aufweisen.
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Dem Strahlteiler 32 ist mittelbar oder - bevorzugt - unmittelbar eine Strahlbremseinrichtung 36 nachgeschaltet. Die Strahlbremseinrichtung 36 kann eine Platte 38 aufweisen. Die Platte 38 ist auf ihrer Eingangsseite zumindest in dem Bereich, in dem die sekundären Lichtstrahlen 14b auftreffen, für die sekundären Lichtstrahlen 14b transparent ausgebildet. An der Platte 38 können Strahlbremser 40a, 40b, 40c, 40d angeordnet oder ausgebildet sein. Die Strahlbremser 40a-40d sind vorzugsweise blockförmig oder stabförmig ausgebildet. Vorzugsweise weisen alle Strahlbremser 40a-40d eine jeweils eigene, d.h. zueinander jeweils verschiedene, Länge auf. Die Strahlbremser 40a-40d können denselben Querschnitt, insbesondere einen mehreckigen, vorzugsweise einen runden, Querschnitt, aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 2 lediglich vier Strahlbremser 40a-40d dargestellt. Die Strahlbremseinrichtung 36 kann jedoch mehr, insbesondere mehr als 10, vorzugsweise mehr als 20, Strahlbremser 40a-40d aufweisen.
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Die Strahlbremser 40a-40d können in Form eines zweidimensionalen Arrays angeordnet oder ausgebildet sein. Die Strahlbremser 40a-40d senden die sekundären Lichtstrahlen 14b jeweils individuell zeitlich verzögert auf die Probe 12. Dies ist in 2 durch unterschiedlich weit propagierte Wellenpakete zwischen den Strahlbremsern 40a-40d und der Oberfläche der Probe 12 dargestellt. Um die Effektivität der Strahlbremseinrichtung 36 zu erhöhen, kann diese auf ihrer Eingangsseite und/oder auf ihrer Ausgangsseite (nicht gezeigt) eine Antireflexionsbeschichtung 42 aufweisen.
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In der Probe 12 werden durch die sekundären Lichtstrahlen 14b lokale thermische Expansionen und dadurch (wie zu 1 ausgeführt) akustische Wellen ausgelöst, die durch den elektroakustischen Wandler 20 registriert werden. Das Oszilloskop 22 stellt die Signale des elektroakustischen Wandlers 20 dar. Da bekannt ist, welcher sekundäre Lichtstrahl 14b wie stark zeitverzögert wird und weiterhin bekannt ist, welcher sekundäre Lichtstrahl 14b wo auf der Probe 12 auftrifft, können die in bestimmter Reihenfolge ausgegebenen Ausgangssignale des elektroakustischen Wandlers bestimmten Probenpositionen zugeordnet werden.
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Im schematischen Beispiel der 2 würde das erste Ausgangssignal des elektroakustischen Wandlers 20 der Probenposition zugeordnet werden, die von dem sekundären Lichtstrahl 14b beleuchtet wurde, der keinen Strahlbremser durchlief. Das zweite Ausgangssignal würde dem sekundären Lichtstrahl 14b zugeordnet werden, der den Strahlbremser 40a durchlief bzw. der von diesem sekundären Lichtstrahl 14b zugeordneten Probenposition. Das dritte Ausgangssignal korreliert mit dem sekundären Lichtstrahl 14b, der den Strahlbremser 40b durchlief usw. Obwohl ein großer Teil der Probe 12 von einer einzigen Lichtquelle 28 fast simultan beleuchtet wird, können die Ausgangssignale des elektroakustischen Wandlers 20 ortsaufgelöst bestimmten Positionen auf der Probe 12 zugeordnet werden.
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3 zeigt eine Aufsicht auf einen Teil einer weiteren Vorrichtung 10 mit einer Strahlbremseinrichtung 36. Ein elektroakustischer Wandler 20 ist mittig bzw. zentral in oder an der Strahlbremseinrichtung 36 angeordnet oder ausgebildet. Strahlbremser, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich Strahlbremser 40a-40d mit einem Bezugszeichen versehen sind, weisen jeweils einen individuellen Abstand zum elektroakustischen Wandler 20 auf, um eine eindeutige Zuordnung der die Strahlbremser 40a-40d passierenden sekundären Lichtstrahlen 14b zu ermöglichen. Die Strahlbremser 40a-40d sind in zwei verschiedene Richtungen R1, R2 zueinander beabstandet, um eine flächige Beleuchtung einer Probe 12 (siehe 2) mit mehreren Spots zu erzielen.
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4 zeigt ein Diagramm, in dem über der Lichtwellenlänge auf der Abszisse die Brechzahl bzw. der Brechungsindex auf der Ordinate aufgetragen ist. In 4 ist die Brechzahl einiger Materialien aufgetragen, die vorzugsweise in Strahlbremsern 40a-40d (siehe 2 und 3) einsetzbar sind. Dabei sind in 4 die Brechzahlen von Fluorite crown FK51A 44a, Borosilicate crown BK7 44b, Barium crown BaK4 44c, Flint F2 44d, Dense flint SF10 44e und Lanthanum dense flint LaSF9 44f aufgetragen.
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In den Strahlbremsern 40a-40d können verschiedene Materialien oder dasselbe Material eingesetzt werden. Im Falle der Verwendung desselben Materials in allen Strahlbremsern 40a-40d weisen die Strahlbremser 40a-40d verschiedene Längen bzw. optische Verzögerungsstrecken auf. Nachfolgend ist einem Beispiel die Berechnung einer optischen Verzögerungsstrecke wiedergegeben:
- Bei einer Lichtgeschwindigkeit des sekundären Lichtstrahls im Vakuum von 299 790 000m/s und einer Phasengeschwindigkeit von 187 368 750 m/s in einem Strahlbremser mit einem Material mit einem Brechungsindex von 1,6, ergibt sich eine Geschwindigkeitsdifferenz von 112 421 250 m/s. Um eine zeitliche Verzögerung der sekundären Lichtstrahlen von Ins zu erreichen, muss die optische Verzögerungsstrecke (gemäß v=s*t) 112mm lang sein. Ist das Oszilloskop dazu ausgebildet, 160 G Sample/s zu erreichen, kann das so vom elektroakustischen Wandler erzeugte Ausgangssignal noch 160 mal abgetastet werden.
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5 zeigt eine Vorrichtung 10 mit einer Lichtquelle 28, die insbesondere zur Erzeugung von Laserlichtpulsen ausgebildet ist. Die Lichtquelle 28 ist optisch, insbesondere über eine Faserverbindung 46, mit einem Strahlteiler 32 verbunden. Der Strahlteiler 32 ist faseroptisch, d.h. in Form eines Faser-Splitters, ausgebildet. Eine Strahlbremseinrichtung 36 weist mehrere Strahlbremser 40a-40e auf. Die Strahlbremser 40a-40e sind jeweils in Form einer optischen Faser ausgebildet. Die Strahlbremser 40a-40e sind vorzugsweise, bis auf ihre jeweilige Länge, gleich ausgebildet. In 5 sind die verschiedenen Längen der Strahlbremser 40a-40e schematisch durch Schlaufen dargestellt.
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Wird ein Lichtstrahl beispielsweise über eine zusätzliche Faserstecke von 1 m verzögert, so propagiert der Laserstrahl in einer Faser in Form einer Glasfaser (Brechungsindex Quarz 1,45) mit einer Phasengeschwindigkeit von 206751724 m/s. Hieraus ergibt sich eine Zeitverzögerung von 4,85 ns.
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Die Strahlbremseinrichtung weist einen optischen Kopf 48 auf. Am optischen Kopf treten die von den Strahlbremsern 40a-40e kommenden Lichtstrahlen in Form von Freistrahlen aus und treffen auf eine Probe 12 bzw. einen Probenhalter 24. Der optische Kopf 48 kann, analog zur Darstellung in 3, mit zweidimensional angeordneten Austritten für die Lichtstrahlen ausgebildet sein, um die Probe 12 zweidimensional abrastern zu können.
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Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren betrifft die Erfindung somit zusammenfassend eine Vorrichtung 10 zum Beleuchten einer Probe 12 mit mehreren synchronisiert aufeinanderfolgenden Lichtstrahlen 14, 14b. Durch diese Lichtstrahlen 14, 14b auf der Probe 12 erzeugte akustische Wellen 18 werden von einem elektroakustischen Wandler 20 detektiert. Die synchrone Abfolge der Lichtstrahlen 14, 14b kann durch eine Strahlbremseinrichtung 36 mit mehreren Strahlbremsern 40a-40e erzielt werden. Die Strahlbremser 40a-40e können jeweils individuelle, d.h. gegenüber den anderen Strahlbremsern 40a-40e verschiedene, Verzögerungen der sie passierenden Lichtstrahlen 14b bewirken. Hierdurch kann eine große Oberfläche der Probe 12 mit schnell aufeinanderfolgenden, der jeweiligen Beleuchtungsposition zuordenbaren, Lichtstrahlen 14b abgetastet werden. Die Strahlbremseinrichtung 36 wird von einem Strahlteiler 32 beleuchtet. Der Strahlteiler 32 und/oder die Strahlbremseinrichtung 36 kann/können plattenförmig ausgebildet sein. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung 10 von der Lichtquelle 28 bis zum Austritt der Lichtstrahlen aus einem optischen Kopf 48 der Strahlbremseinrichtung 36 überwiegend, insbesondere vollständig, faseroptische Komponenten auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Probe
- 14
- Lichtstrahl
- 14a
- primärer Lichtstrahl
- 14b
- sekundäre Lichtstrahlen
- 16
- thermische Expansion
- 18
- akustische Welle
- 20
- elektroakustischer Wandler
- 22
- Oszilloskop
- 24
- Probenhalter
- 26
- Lichtstrahleinrichtung
- 28
- Lichtquelle
- 30
- Kollimator
- 32
- Strahlteiler
- 34
- Antireflexionsbeschichtung (des Strahlteilers 32)
- 36
- Strahlbremseinrichtung
- 38
- Platte
- 40a-40e
- Strahlbremser
- 42
- Antireflexionsbeschichtung (der Strahlbremseinrichtung 36)
- 44a
- Brechzahl von Fluorite crown FK51A
- 44b
- Brechzahl von Borosilicate crown BK7
- 44c
- Brechzahl von Barium crown BaK4
- 44d
- Brechzahl von Flint F2
- 44e
- Brechzahl von Dense flint SF10
- 44f
- Brechzahl von Lanthanum dense flint LaSF9
- 46
- Faserverbindung
- 48
- optischer Kopf
- R1, R2
- Richtungen (der Beabstandungen der Strahlbremser 40a-40e)
