DE102021104768A1

DE102021104768A1 - Messanordnung und Verfahren zur Überwachung eines Spurengases

Info

Publication number: DE102021104768A1
Application number: DE102021104768.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Palzer
Original assignee: Technische Univ Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Technische Univ Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Dortmund Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-01
Also published as: WO2022180244A1; EP4298428A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (10) zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas (12), umfassend einen Laser (14) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (16), und eine Messzelle (20) zur Aufnahme des Spurengases (12), wobei der Laser (14) ein Lasermedium (22) und einen Resonator (24) umfasst, wobei das Lasermedium (22) im Resonator (24) angeordnet ist, wobei der Resonator (24) und/oder die Messzelle (20) derart ausgestaltet ist, dass das Spurengas (12) in den Resonator (24) einbringbar ist, wobei der Laser (14) derart ausgestaltet ist, dass genau zwei Moden (28a, 28b) emittiert werden, wobei eine der zwei Moden (28a, 28b) eine Frequenz in der Nähe eines Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) aufweist, wobei die zwei Moden (28a, 28b) zueinander in Konkurrenz stehen, und wobeia) die Messanordnung einen Polarisationsstrahlteiler umfasst, die zwei Moden (28a, 28b) zwei linear polarisierte Moden (27a, 27b) sind und die zwei linear polarisierten Moden (27a, 27b) orthogonale Polarisation zueinander aufweisen, oderb) das Lasermedium (22) mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden (28a, 28b) zwei Moden (29a, 29b) mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind.Weiterhin begrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung des Spurengases (12) mittels der obigen Messanordnung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Spurengases mittels der obigen Messanordnung.
Als Spurengase werden alle Gase bezeichnet, die in der Luft in geringeren Anteilen vorkommen als die drei Hauptbestandteile Stickstoff (etwa 78 Vol.-%), Sauerstoff (etwa 21 Vol.-%) und Argon (etwa 1 Vol.-%). Spurengase können demnach nicht reaktive Edelgase wie Neon, Helium oder Krypton sein, oder reaktive Gase, die eventuell umweltschädlich sind, zum Treibhauseffekt beitragen oder die - wie reaktive Halogenverbindungen - zum Ozonabbau beitragen.
Für die Überwachung von Spurengas werden oftmals laserspektroskopische Methoden verwendet, bei denen Laser zur Anregung des zu untersuchenden Spurengases verwendet werden, da mit laserspektroskopischen Methoden hohe Empfindlichkeiten erreicht werden können.
Eine weit verbreitete Methode zur Überwachung von Spurengas ist die direkte durchstimmbare Diodenlaserabsorptionsspektroskopie (engl. tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS). Dabei wird eine Wellenlänge des Laserlichtes auf eine oder mehrere charakteristische Absorptionslinien des zu untersuchenden Spurengases abgestimmt. Aus der gemessenen Absorption kann die Teilchenzahldichte des zu untersuchenden Spurengases bestimmt werden. Als Quelle des Laserlichtes dient dabei eine Laserdiode.
Die Stärke der Absorption pro Molekül ist eine intrinsische Eigenschaft des jeweiligen Moleküls und lediglich von der Temperatur abhängig. Die Linienform einer Absorptionslinie hängt hingegen sowohl von Temperatur als auch vom Druck des zu untersuchenden Spurengases ab. Allerdings kann letztgenannte Abhängigkeit durch Integration über die Absorptionslinie eliminiert werden, so dass die Fläche unter der Absorptionslinie ein direktes Maß für die Teilchenzahldichte des zu untersuchenden Spurengase ist. Entsprechend ist die Intensität des Signals lediglich durch die optische Weglänge / des Laserlichtes durch das Spurengas gegeben.
Eine Möglichkeit die Empfindlichkeit der Methode zu erhöhen liegen in der Verlängerung der Absorptionsstrecke l. Dies kann beispielweise auch durch Verwendung von optischen Resonatoren erfolgen, wobei der optische Resonator durch Hin- und Rück-Reflexionen des Laserlichtes die effektive optische Weglänge vervielfacht. Zwei Techniken, bei denen ein optischer Resonator verwendet wird, sind die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) und die resonatorverstärkte Absorptionsspektroskopie (engl. Cavity-enhanced absorption spectroscopy, CEAS).
Mit der Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) sind Nachweisgrenzen des Spurengases im ppb bis ppq Bereich möglich (10^-9 bis 10^-15). Bei der CRDS wird eine Photonenlebensdauer in einem Resonator mit hoher Finesse bestimmt, wobei die Finesse als Kennzahl des Resonators dessen spektrales Auflösungsvermögen angibt. Vereinfacht hängt die Finesse von den Verlusten im Resonator ab, wobei eine hohe Reflektivität der Spiegel des Resonators zu einer hohen Finesse führt. Ein typischer CRDS-Aufbau umfasst einen Laser, mit dem der optischer Resonator mit hoher Finesse beleuchtet wird. Der Laser wird dann ausgeschaltet, um eine Messung der exponentiell abfallenden Lichtintensität zu ermöglichen, die aus dem Resonator austritt. Während dieser Abklingzeit (engl. ring down) wird das Licht viele Male zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert, was einer effektiven Weglänge während des Abklingens in der Größenordnung von einigen Kilometern entspricht. Wird das Spurengas in den Resonator eingebracht, verringert sich die mittlere Photonenlebensdauer, da weniger Hin- und Rück-Reflexionen erforderlich sind, bevor die Intensität des Lichtes auf einen Bruchteil seiner ursprünglichen Intensität abgefallen ist. Die Messung der Abklingzeit ermöglicht somit Rückschlüsse auf die Spurengaskonzentration.
Bei der resonatorverstärkten Absorptionsspektroskopie (engl. Cavity-enhanced absorption spectroscopy, CEAS) sind ähnliche Nachweisgrenzen wie bei der CRDS möglich, wobei auch bei der CEAS Laserlicht in einen Resonator, in dem sich das Spurengas befindet, eingekoppelt wird. Allerdings wird bei der CEAS nicht die Abklingzeit des Resonators bestimmt, sondern die Intensität des aus dem Resonator ausgekoppelten Laserlichtes.
Eine weitere Möglichkeit zum Überwachen von Spurengas ist die photoakustische Laserspektroskopie, bei der optische und akustischen Resonatoren kombiniert werden. Dabei wird die Tatsache genutzt, dass die Schallwellenamplitude direkt proportional zur Lichtleistung und zur Anzahl der absorbierenden Spurengasmoleküle ist.
Auch wenn die oben genannten Techniken eine sehr hohe Präzision und Genauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration des Spurengases ermöglichen, hängt ihre Leistung entscheidend von der Qualität, insbesondere der Finesse, des optischen Resonators ab, die jeweils durch das Reflexionsvermögen der Spiegel des Resonators begrenzt ist. Weiterhin macht der Aufbau, bei dem das Laserlicht in den Resonator eingekoppelt wird, es erforderlich, die Linienbreite des Laserlichts zu verschmalern, was eine fundamentale Limitation bei der Nutzung passiver Resonatoren zum Spurengasnachweis darstellt. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass die Resonatoren nicht durch Vibrationen beeinflusst werden, was aufwändige Laborinfrastruktur für den Aufbau notwendig macht.
Eine Methode, bei der es nicht notwendig ist, das Laserlicht in den optischen Resonator einzukoppeln, ist die Intra-cavity-Absorptionsspektroskopie. Bei der intra-cavity-Absorptionsspektroskopie, wird das zu untersuchende Spurengas direkt in den Strahlengang des Lasers im Laser-Resonator (engl. cavity) eingebracht, anstatt wie bei der CRDS und CEAS den emittierten Laserstrahl in einem externen Resonator durch die zu untersuchende Spurengasprobe zu schicken. Dies führt zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber den herkömmlichen Absorptionsmessungen, wobei dabei ausgenutzt wird, dass innerhalb des Laser-Resonators die Lichtleistung stark überhöht ist. Weitere Gründe für die hohe Empfindlichkeit sind die große effektive optische Weglänge sowie die Modenkonkurrenz innerhalb des Laser-Resonators. Bringt man eine Absorptionszelle mit Spurengas in einen Multi-Moden-Laser ein, wobei das Spurengas bestimmte Moden des Lasers absorbiert, andere dagegen nicht, reichen aufgrund der Modenkonkurrenz schon sehr geringe Teilchenkonzentrationen des Spurengases aus, um die absorbierten Moden im Laserspektrum zu unterdrücken. Denn die Modenkonkurrenz führt zu einer Umverteilung der verfügbaren Verstärkung auf andere Moden des Lasers. Das Grundprinzip der Intra-cavity-Absorptionsspektroskopie ist wie folgt: Die zu untersuchende Spurengasprobe wird in den Laser-Resonator des Multi-Moden-Laser eingebracht, wobei der Laser in der Regel ein Lasermedium mit breiter Verstärkungskurve und einen Resonator mit geringen Verlusten umfasst. Beim Anschalten des Lasers, beginnt der Laser auf vielen Moden gleichzeitig zu schwingen. Erst nach einigen Hin- und Rück-Reflexionen des Laserlichtes im Laser-Resonator konzentriert sich das Laserspektrum auf den Spektralbereich der Verstärkungskurve mit der höchsten Verstärkung. Während dieser Entwicklung können schwache Absorptionsmerkmale des Spurengases Signaturen in das Laserspektrum einprägen, da sie das Laserspektrum während vieler Hin- und Rück-Reflexionen beeinflussen können. Eine Messung des Laserspektrums erfolgt entsprechend eine kurze Zeit nach dem Einschalten des Lasers, wobei diese Zeit kurz genug sein sollte, um eine zu starke Verengung des Laserspektrums zu verhindern. Nachteilig an der intra-cavity-Absorptionsspektroskopie ist somit, dass das Laserspektrum auf sehr kurzen Zeitskalen analysiert werden muss, was zu komplexen Laboraufbauten führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Messanordnung zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas bereitzustellen, die robust ist und keine komplexen Laboraufbauten erforderlich macht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die ein kontinuierliches Analysieren des Laserspektrums ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird somit eine Messanordnung zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, umfassend einen Laser zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und eine Messzelle zur Aufnahme des Spurengases bereitgestellt, wobei der Laser ein Lasermedium und einen Resonator umfasst, wobei das Lasermedium im Resonator angeordnet ist, wobei der Resonator und/oder die Messzelle derart ausgestaltet ist, dass das Spurengas in den Resonator einbringbar ist, wobei der Laser derart ausgestaltet ist, dass genau zwei Moden emittiert werden, wobei eine der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe eines Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist, wobei die zwei Moden zueinander in Konkurrenz stehen, und wobei

a) die Messanordnung einen Polarisationsstrahlteiler umfasst, die zwei Moden zwei linear polarisierte Moden sind und die zwei linear polarisierten Moden orthogonale Polarisation zueinander aufweisen, oder
b) das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Überwachen eines Spurengases mittels der obigen Messanordnung bereitgestellt, wobei das Spurengas in den Resonator eingebracht ist, umfassend die Schritte

- Betreiben des Lasers im zwei-Moden-Betrieb, derart dass genau zwei Moden emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine erste Mode der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist,
- Verändern der Frequenz der ersten Mode, derart dass ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt,
- Erfassen einer Intensität eines die zweite Mode ausweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung des Lasers mittels eines Detektors, und
- Überwachen des Spurengases unter Berücksichtigung der erfassten Intensität des die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung.

Im Sinne der Erfindung bedeutet in der Nähe des Absorptionsüberganges, dass die Frequenz einer der zwei Moden, hier als die erste Mode bezeichnet, spektral derart nahe bei der Frequenz des Absorptionsübergang des Spurengases liegt, dass durch Verändern der Frequenz der ersten Mode, die erste Mode das Absorptionsspektrum des Spurengases abtasten kann. Ein Kernaspekt der Erfindung ist, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass genau zwei zueinander in Konkurrenz stehende Moden emittiert werden, wobei eine der zwei Moden, nämlich die erste Mode, eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist. Beim Verfahren zum Überwachen des Spurengases ist das Spurengas in den Resonator eingebracht. Wenn durch Verändern der Frequenz der ersten Moden die Frequenz der ersten Mode das Absorptionsspektrum des Spurengases abtastet und derart die erste Mode in ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt, wird diese erste Mode entsprechend vom Spurengas absorbiert. Eine verfügbare Pumpleistung des Lasers wird dann für die zweite Mode verwendet, was dazu führt, dass sich die Intensität der zweiten Mode verändert. Die zweite Mode kann somit zum Auslesen des Absorptionsspektrums des Spurengases, das mit der ersten Mode abgetastet wird, verwendet werden. Dementsprechend ermöglicht die Messanordnung das Absorptionsspektrum des Spurengases durch ein kontinuierliches Detektieren des Laserspektrums zu erhalten. Somit ist es im Gegensatz zum Stand der Technik aufgrund der erfindungsgemäßen Messanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht notwendig, das Laserspektrum direkt kurze Zeit nach dem Einschalten des Lasers zu erfassen und zu analysieren. In anderen Worten wird nicht wie im Stand der Technik ein Laser im Multi-Moden-Betrieb, bei dem mehr als zwei Schwingungsmoden anschwingen, verwendet, sondern der Laser wird im zwei-Moden-Betrieb verwendet, wobei die zwei Moden zueinander in Konkurrenz stehen. Zueinander in Konkurrenz stehende Moden bedeutet, dass die zwei Moden auf Laserübergänge des Lasermediums zurückgehen, die von demselben angeregten Energiezustand des Lasermediums ausgehen.
Bezüglich des Auslesens des Absorptionsspektrums des Spurengases sieht die erfindungsgemäße Messanordnung in einer ersten Alternative vor, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass die zwei zueinander in Konkurrenz stehenden Moden zwei linear polarisierte Moden sind und die zwei linear polarisierten Moden orthogonale Polarisation zueinander aufweisen. Entsprechend können durch den Polarisationsstrahlteiler die beiden Moden voneinander getrennt werden. Derart wird das Erfassen der Intensität des die zweite Mode ausweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors stark vereinfacht. Gemäß der ersten Alternative ist also vorgesehen, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden, die zueinander in Konkurrenz stehen, zwei linear polarisierte Moden sind und die zwei linear polarisierten Moden orthogonale Polarisation zueinander aufweisen. Bei linear polarisiertem Licht ist die Richtung der Schwingung des elektrischen Feldvektors konstant. Somit bedeutet dies, dass die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors der zweiten Mode ± 90° versetzt zur Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors der ersten Mode ist. In anderen Worten ist die erste Mode parallel polarisiert und die zweite Mode senkrecht polarisiert oder umgekehrt. Da beide Moden aufgrund ihrer orthogonalen Polarisationen zueinander mittels des Polarisationsstrahlteilers getrennt werden können, ist das Laserspektrum und die Veränderung des Laserspektrums durch die Absorption besonders einfach erfassbar.
In einer weiteren Alternative sieht die erfindungsgemäße Messanordnung vor, dass das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. Entsprechend können die beiden Moden einfach aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen voneinander unterschieden werden, was das Erfassen der Intensität ebenfalls stark vereinfacht. Wie bereits erwähnt bedeutet zwei zueinander in Konkurrenz stehende Moden, dass die zwei Moden auf Laserübergänge des Lasermediums zurückgehen, die von demselben angeregten Energiezustand des Lasermediums ausgehen. Somit ist in der zweiten Alternative also vorgesehen, dass die zwei Moden auf Laserübergänge zurückgehen, die vom gleichen angeregten Energiezustand ausgehen, jedoch unterschiedliche energetische Endzustände aufweisen und demnach Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. Beispielsweise kann es sich bei einem Helium-Neon Laser um den Laserübergang 3s₂ - 2p₄ bei 632,816 nm und den Laserübergang 3s₂ - 3p₄ bei 3392,2 nm handeln, die beide dem angeregten Zustand 3s₂ entspringen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass aufgrund des Einbringens des Spurengases in den Resonator des Lasers sehr hohe Werte für die Finesse des Resonators erreicht werden, ohne dass wie bei der CEAS und CRDS für den Resonator Spiegel mit ultrahohem Reflexionsvermögen verwenden werden müssen. Weiterhin ermöglicht die Messanordnung auf einfache Weise über Erhöhung der Pumpleistung des Lasers die Photonenlebensdauer in dem Resonator und folglich die Finesse des Resonators zu erhöhen. Dadurch kann ein schlechtes und/oder ein sich verschlechterndes Spiegelreflexionsvermögen des Resonators kompensiert werden. Die geringe Komplexität der Messanordnung führt nebst einer hohen Robustheit und guter Beständigkeit gegen widrige Umgebungsbedingung dazu, dass die Messanordnung klein und leicht ausgeführt werden kann.
Wie bereits erwähnt umfasst die Messanordnung den Laser und die Messzelle. Der Laser ist zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausgestaltet, wobei der Laser den Resonator und das Lasermedium umfasst. Bevorzug umfasst der Laser weiterhin eine Pumpquelle. Beim Betrieb des Lasers entstehen im Lasermedium durch einen optischen Übergang angeregter Atome oder Moleküle des Lasermediums in einen energetisch günstigeren Zustand elektromagnetische Strahlung. Zentrale Bedingung für ein Lasermedium ist, dass sich eine Besetzungsinversion herstellen lässt. Dies bedeutet, dass der energetisch höherliegende Zustand des optischen Übergangs mit einer höheren Wahrscheinlichkeit besetzt ist als der energetisch günstigere Zustand, sprich der energetische Endzustand. Um eine Besetzungsinversion herbeizuführen, wird durch die Pumpquelle Energie in das Lasermedium hineingepumpt. Das Pumpen kann je nach Lasermedium optisch durch Einstrahlung von Licht oder elektrisch beispielsweise durch elektrischen Strom, oder über Gasentladung erfolgen und derart die Atome oder Moleküle des Lasermediums in angeregte Zustände bringen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Lasermedium im Resonator angeordnet ist. Bevorzugt ist der Resonator derart ausgestaltet, dass der Resonator eine Rückkopplung der vom Lasermedium emittierten elektromagnetischen Strahlung erlaubt. Bevorzugt handelt es sich beim Resonator um einen Spiegelresonator und weiter bevorzugt um einen Stehwellenresonator. Der Resonator des Lasers legt bevorzugt die Richtung der induzierten Emission und damit die Strahlrichtung des Lasers fest: nur längs zum Resonator emittierte Photonen laufen mehrfach im Resonator hin und her und stimulieren vorrangig in dieser Richtung verlaufende weitere Emission. Zum anderen erfolgt durch den Resonator aufgrund Interferenz eine Wellenlängenselektion. Eine resonante Welle hat nach einem Resonatorumlauf, die gleiche Phase oder ein Vielfaches von 2π wie vorher und kann daher konstruktiv interferieren. Nicht resonante Wellen hingegen werden, da nach mehreren Umläufen alle möglichen Phasendifferenzen auftreten können, durch destruktive Interferenz gedämpft. Die durch den Resonator verstärkten Frequenzen sind die Moden des Lasers.
Weiterhin ist der Resonator und/oder die Messzelle derart ausgestaltet, dass das Spurengas in den Resonator einbringbar ist. Das Spurengas kann ein Gas oder ein Gasgemisch sein. Insbesondere kann das Spurengas in sehr geringen Konzentrationen vorliegen. In einer ersten bevorzugten Alternative ist vorgesehen, dass der Messaufbau die Messzelle umfasst, in die das Spurengas aufgenommen werden kann, und die Messzelle neben dem Lasermedium im Resonator anordnenbar ist und/oder angeordnet ist. Weiter alternativ kann auch bevorzugt vorgesehen sein, dass der Resonator in der Messzelle anordnenbar ist und/oder angeordnet ist. In anderen Worten wird also jeweils eine Vorrichtung für den Resonator verwendet und eine eigene Vorrichtung für die Messzelle. Derart kann auf einfache Weise durch Anordnen der einen Vorrichtung in der anderen Vorrichtung das Spurengas in den Resonator eingebracht werden. Alternativ kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Messzelle vom Resonator gebildet wird, also eine gemeinsame Vorrichtung vorhanden ist, die die Funktion des Resonators und der Messzelle übernimmt. In anderen Worten wird in dieser Ausgestaltung das Spurengas somit direkt vom Resonator aufgenommen. Der Resonator stellt also einen Raum zur Aufnahme des Spurengases bereit. Derart kann ohne zusätzliche Vorrichtung das Spurengas in den Resonator eingebacht werden. In diesem Falle ist der Resonator bevorzugt nicht nur derart ausgestaltet, dass der Resonator eine Rückkopplung der vom Lasermedium emittierten elektromagnetischen Strahlung erlaubt, sondern bevorzugt auch dazu ausgestaltet, das Spurengas in sich aufzunehmen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden, die zueinander in Konkurrenz stehen, zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden sind. Der Frequenzabstand zwischen den zwei direkt aufeinanderfolgenden Longitudinalmoden hängt von der Länge des Resonators ab, und wird auch als freier Spektralbereich bezeichnet. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die Messanordnung den Polarisationsstrahlteiler umfasst, und die zwei Moden die zwei linear polarisierten Moden sind, die orthogonale Polarisation zueinander aufweisen. In diesem Zusammenhang ist zudem bevorzugt vorgesehen, dass eine Verstärkungskurve des Lasers derart ist, dass genau zwei Moden in der Verstärkungskurve Platz haben. Die Verstärkungskurve, auch Gainkurve genannt, beschreibt die Frequenzabhängigkeit der Strahlungsverstärkung des Lasermedium. Die Verstärkungskurve hängt unter anderem vom Linienprofil des Laserüberganges ab. Ein Lasermedium, das einen Laserübergang bei einer Mittenfrequenz v_L besitzt, emittiert nicht nur Photonen bei v_L sondern auch (mit abnehmender Wahrscheinlichkeit) bei höheren und niedrigeren Frequenzen. Ursachen hierfür sind unter anderem die natürliche Linienbreite des Laserübergangs, Einflüsse der Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen im Lasermedium (Doppler-Verbreiterung, DopplerEffekt) und Stöße zwischen den Teilchen im Lasermedium (Druckverbreiterung). Bevorzugt ist also vorgesehen, dass die Verstärkungskurve und der freie Spektralbereich derart aufeinander abgestimmt sind, dass vom Laser zwei aufeinanderfolgende Longitudinalmoden emittiert werden.
Alternativ dazu, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden, die zueinander in Konkurrenz stehen, nicht zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden sind. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weitern bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Lasermedium zwei miteinander wechselwirkende Verstärkungskurven aufweist, wobei jeweils eine Mode in jeder Verstärkungskurve Platz hat. Bevorzugt ist also vorgesehen, dass die Verstärkungskurven und der freie Spektralbereich derart aufeinander abgestimmt sind, dass vom Laser zwei zueinander in Konkurrenz stehender Moden emittiert werden, die nicht zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden sind.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass eine Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases zwischen den Frequenzen der zwei Moden des Lasers liegt. Die Frequenz einer der zwei Moden des Lasers ist also nicht nur spektral in der Nähe des Absorptionsübergang des Spurengases, sondern der Laser ist auch bevorzugt derart ausgestaltet, dass eine der zwei Moden eine geringere Frequenz als die Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist und die andere Mode eine höhere Frequenz als die Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist. Dies ermöglicht, dass die Frequenz der Mode nur wenig geändert werden muss, damit die Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt.
In Zusammenhang mit den zwei linear polarisierten Moden ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Messanordnung den Polarisationsstrahlteiler umfasst, wobei der Polarisationsstrahlteiler dazu ausgestaltet ist, die elektromagnetische Strahlung des Lasers in einen die erste Mode aufweisenden ersten Anteil und einen die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteil aufzuteilen. Vorzugsweise wird der erste Anteil des Laserlichtes vom Polarisationsstrahlteiler reflektiert und der zweite Anteil des Laserlichtes vom Polarisationsstrahlteiler transmittiert oder umgekehrt. Da beide Moden aufgrund ihrer orthogonalen Polarisationen zueinander mittels des Polarisationsstrahlteilers getrennt werden, kann das Laserspektrum und die Veränderung des Laserspektrums durch die Absorption einfach erfasst werden.
Hinsichtlich der Anordnung des Polarisationsstrahlteilers ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Polarisationsstrahlteiler in Strahlrichtung des Lasers neben dem Resonator angeordnet ist oder dass der Polarisationsstrahlteiler innerhalb des Resonators des Lasers angeordnet ist. Die Anordnung des Polarisationsstrahlteiler innerhalb des Resonators weist den Vorteil auf, dass die beiden Moden mit unterschiedlicher Polarisation einzeln durchstimmbar sind. Die Anordnung des Polarisationsstrahlteiler neben dem Resonator erlaubt dafür einen einfachen Zugriff auf den Polarisationsstrahlteiler.
In Zusammenhang mit dem Resonator des Lasers ist bevorzugt vorgesehen, dass der Resonator wenigstens einen hochreflektierenden Spiegel und wenigstens einen Auskopplungsspiegel umfasst. Der Auskopplungsspiegel weist bevorzugt für wenigstens eine Wellenlänge eine Spiegelreflektivität von weniger als 100% auf. Derart tritt am Auskopplungsspiegel die vom Laser erzeugte elektromagnetische Strahlung aus.
In Zusammenhang mit der Anordnung des Polarisationsstrahlteiler neben dem Resonator ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass der Polarisationsstrahlteiler neben dem Auskopplungsspiegel angeordnet ist. In Zusammenhang mit der Anordnung des Polarisationsstrahlteiler innerhalb des Resonators ist bevorzugt vorgesehen, dass der Resonator wenigstens einen hochreflektierenden Spiegel umfasst und wenigstens zwei Auskopplungsspiegel umfasst.
In Zusammenhang mit der Ausgestaltung des Lasers, bei dem das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind, ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass der Resonator wenigstens einen Spiegel aufweist, dessen Spiegelreflektivität für die unterschiedlichen Laserwellenlängen unterschiedlich hoch ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Spiegel mit unterschiedlicher Spiegelreflektivität um den Auskopplungsspiegel. Weiter bevorzugt ist die Spiegelreflektivität für die erste Mode, also jene die in ihrer Frequenz derart verändert wird, dass sie mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt, höher als für die zweite Mode. Bevorzugt ist die Spiegelreflektivität für die erste Mode derart hoch, dass der Auskopplungsspiegel für die erste Mode als hochreflektierender Spiegel wirkt. Derart tritt am Auskopplungsspiegel lediglich die zweite Mode aus. Die unterschiedliche Spiegelreflektivität für die unterschiedlichen Laserwellenlängen ermöglicht somit die Empfindlichkeit zu erhöhen und vereinfacht zudem das Erfassen der Intensität der zweiten Mode.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass der Resonator durchstimmbar und/oder längenverstellbar ist. Dies ermöglicht die Frequenz wenigstens einer der zwei Moden zu verändern. Bezüglich der Längenveränderung des Resonators ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass Vorrichtungen zum Heizen und/oder Kühlen vorgesehen sind, mittels denen die Länge des Resonators verändert werden kann. Vorzugsweise sind piezogesteuerte Spiegelaktuatoren vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Messanordnung wenigstens einen Detektor zum Erfassen einer Intensität der elektromagnetischen Strahlung, wobei der Detektor derart angeordnet ist, dass eine Intensität eines die erste Mode aufweisenden ersten Anteils und/oder eine Intensität eines die zweite Mode ausweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung des Lasers erfassbar ist.
Für den Fall, dass der Laser zwei zueinander orthogonal polarisierte Moden emittiert ist bevorzugt vorgesehen, dass die Messanordnung zwei Detektoren zum Erfassen der Intensität der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei die Detektoren derart angeordnet sind, dass die Intensität des die erste Mode aufweisenden ersten Anteils und des die zweite Mode ausweisenden zweiten Anteils der durch den Polarisationsstrahlteiler aufgeteilten elektromagnetische Strahlung des Lasers erfassbar ist. In anderen Worten sind die Detektoren also derart angeordnet, dass die zwei Anteile des Laserlichtes einzeln detektierbar sind. Bei einem Polarisationsstrahlteiler der einen Anteil des Laserlichtes transmittiert und den anderen reflektiert, ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Detektor in Transmissionsrichtung neben dem Polarisationsstrahlteiler angeordnet ist und der andere Detektor in Reflexionsrichtung neben dem Polarisationsstrahlteiler angeordnet ist.
Für den Fall, dass das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt und der Laser zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge emittiert, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Messanordnung einen Detektor zum Erfassen wenigstens einer Intensität umfasst. Grundsätzlich kann ein Detektor verwendet werden, der derart ausgestaltet ist, dass die Intensität beider Laserwellenlängen erfassbar ist. Besonders bevorzugt wird ein Detektor verwendet, der derart ausgestaltet ist, dass lediglich die Intensität einer Laserwellenlänge erfassbar ist. Wird beispielsweise ein Helium-Neon Laser verwendet, der die zwei zueinander konkurrierenden Moden der Laserübergänge bei 632,816 nm und bei 3392,2 nm emittiert, wird als Detektor bevorzugt eine Si-Photodiode verwendet, da diese die Strahlung im mittleren IR - also bei 3392,2 nm nicht detektieren kann.
Weiterhin ist in diesem Zusammenhang bevorzugt vorgesehen, dass die Messanordnung einen Spektralfilter umfasst. Dieser ermöglicht eine der zwei Laserwellenlänge durchzulassen und die andere Laserwellenläge auszublenden. Bei Anordnung des Spektralfilters vor dem Detektor, kann auch bei Laserwellenlägen die spektral nahe beieinanderliegen und deren Intensitäten entsprechende vom Detektor erfasst würden, derart auf einfache Weise ein Detektor bereitgestellt werden, der lediglich die Intensität einer Laserwellenlänge erfasst.
Grundsätzlich kann das Lasermedium fest, flüssig oder gasförmig sein - sprich grundsätzlich kann es sich beim Laser um einen Festkörperlaser, Halbleiterlaser, Raman-Laser, Farbstofflaser oder Gaslaser handeln. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist allerdings vorgesehen, dass das Lasermedium gasförmig ist und Gasdruck, Gastemperatur und/oder Gasmischverhältnis des Lasermediums derart ist, dass genau zwei Moden emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist. Wie bereits erwähnt, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verstärkungskurve des Lasers derart ist, dass genau zwei Moden in der Verstärkungskurve Platz haben oder dass das Lasermedium zwei miteinander wechselwirkende Verstärkungskurven aufweist, wobei jeweils eine Mode in jeder Verstärkungskurve Platz hat. Durch Verändern des Gasdrucks, der Gastemperatur und/oder des Gasmischverhältnisses kann die Breite der Verstärkungskurve und/oder Verstärkungskurven angepasst werden, so dass genau zwei Moden in der Verstärkungskurve Platz haben oder dass jeweils eine Mode in jeder Verstärkungskurve Platz hat.
Insbesondere bei schmalen Verstärkungskurven ist bevorzugt vorgesehen, die Verstärkungskurve zu verbreitern. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass sich das Lasermedium in einem Magnetfeld, elektrischen Feld und/oder elektromagnetischen Feld befindet, und das Magnetfeld, elektrische Feld und/oder elektromagnetische Feld derart ist, dass vom Laser genau zwei Moden emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist. Das Magnetfeld führt aufgrund des Zeeman-Effektes zu einer Verbreiterung der Verstärkungskurve des Lasermediums, so dass die Breite der Verstärkungskurve an den freien Spektralbereich angepasst werden kann. Das elektrische Feld führt aufgrund des Stark-Effektes zu einer Verbreiterung der Verstärkungskurve des Lasermediums, so dass die Breite der Verstärkungskurve an den freien Spektralbereich angepasst werden kann. Das magnetische, elektrische und/oder elektromagnetische Feld kann ein statisches Feld oder ein Wechselfeld sein. Bei elektrischen Wechselfeldern führt insbesondre der AC-Strak-Effekt zu einer Verbreiterung der Verstärkungskurve. Das Magnetfeld, das elektrische Feld und/oder das elektromagnetische Feld können nicht nur zur Verbreiterung der Verstärkungskurve verwendet werden, sondern auch um die Verstärkungskurve zu verschieben und derart zu kontrollieren, dass vom Laser genau zwei Moden emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist.
In diesem Zusammenhang kann weiter bevorzugt vorgesehen sein, dass sich das Spurengas in einem Magnetfeld, elektrischen Feld und/oder elektromagnetische Feld befindet und das Magnetfeld, elektrische Feld und/oder elektromagnetische Feld derart ist, dass die Frequenz des Absorptionsübergang des Spurengases in der Nähe von einer der zwei Moden des Lasers ist. Nicht nur die Emission des Lasers kann über das Magnetfeld, elektrische Feld und/oder elektromagnetische Feld kontrolliert werden, sondern auch die Lage und Breite des Absorptionsübergangs des Spurengases. Bei dem Feld, das zur Kontrolle des Absorptionsübergangs des Spurengases verwendet wird, kann es sich um das gleiche Feld handeln wie zur Kontrolle der Emission des Lasers verwendet wird oder um ein anderes Feld.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lasermedium ausgewählt ist aus der Gruppe umfassen Helium-Neon-Gasgemische, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoff, Edelgas, Metalldämpfe, Helium-Cadmium-Gasgemische, und Edelgashalogenide.
Bezüglich der Messzelle ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Messzelle derart ausgestaltet ist, dass ein Druck des Spurengases in der Messzelle veränderbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Druck des Spurengases in der Messzelle vermindert werden kann. Derart kann bei einem Spurengas, das mehrere Spurengasspezies umfasst, durch Verminderung der Stoßverbreiterung eine spektrale Trennung der Absorptionslinien der unterschiedlichen Spurengasspezies erreicht werden. Insbesondere können derart auch die Absorptionsübergänge einzelner Isotope eines Isotopengemisches eines Spurengases spektral aufgelöst werden.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die Länge des Resonators derart gewählt ist, dass genau zwei zueinander konkurrierende Moden anschwingen können. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lasermedium ein Helium-Neon-Gasgemisch ist und der Resonator eine Länge von 20 mm aufweist. Aufgrund der Länge des Resonators von 20 mm weisen zwei aufeinanderfolgenden Longitudinalmoden einen Frequenzabstand von 7,5 GHz auf. Da der Helium-Neon Laser intrinsisch eine sehr schmale Verstärkungskurve mit einer Halbwertsbreite von etwa 1,5 GHz aufweist, ist bevorzugt vorgesehen, dass durch das Magnetfeld die Verstärkungskurve auf etwa 20 GHz verbreitert ist. Derart werden vom Laser zwei im Frequenzabstand von 7,5 GHz aufeinanderfolgende Longitudinalmoden emittiert.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass der Resonator ein Etalon umfasst, und das Etalon dazu ausgestaltet ist, einen Wellenlängenbereich im Resonator einzuschränken. Derart kann durch das Etalon im Resonator bewirkt werden, das der Laser derart ausgestaltet ist, dass genau zwei zueinander konkurrierende Moden emittiert werden. Dies hat den Vorteil, das die Länge des Resonators beliebig lange sein kann, so dass im Resonator ausreichend Platz vorhanden ist, das Spurengas in den Resonator einzubringen. Weiterhin wird durch einen langen Resonator die Absorptionsstrecke verlängert, so dass die Messanordnung eine besonders hohe Empfindlichkeit ermöglicht.
In Zusammenhang mit dem Verfahren zum Überwachen des Spurengases mittels der obigen Messanordnung ist bevorzugt vorgesehen, dass der Schritt Verändern der Frequenz der ersten Mode, derart dass ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt ein Verändern der Länge des Resonators, ein verändern eines Magnetfeldes, elektrischen Feldes und/oder elektromagnetischen Feldes um das Lasermedium, ein Verändern eines Druckes des Lasermediums und/oder ein Verändern einer Temperatur des Lasermediums umfasst. Diese Maßnahmen führen dazu, dass sich die Frequenzen der ersten Mode verschiebt.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Verfahren den Schritt verändern einer Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases umfasst. Durch Anlegen eines Magnetfeldes, elektrischen Feldes und/oder elektromagnetischen Feldes um das Spurengas kann auch die Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases verändert werden. Derart kann das ebenfalls erleichtert werden, dass die Frequenz der ersten Mode mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Schritt Erfassen der Intensität des die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung, ein kontinuierliches Erfassen der Intensität des die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteils beim Verändern der Frequenz der ersten Mode umfasst. In anderen Worten wird also während des Abtastens des Absorptionsüberganges des Spurengases mit der ersten Mode, die Intensität der zweiten Mode erfasst. Besonders bevorzugt wird die Veränderung der Intensität der zweiten Moden beim Verändern der Frequenz der ersten Mode erfasst.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren den Schritt vermindern eines Druckes des Spurengases in der Messzelle umfasst. In anderen Worten wird also bevorzugt nachdem das Spurengas in die Messzelle eingebracht ist, der Druck des Spurengases in der Messzelle vermindert. Dies führt dazu, dass die Stoßverbreiterung der Absorptionslinien des Spurengases verringert wird. Derart kann bei mehreren Spurengasspezies eine spektrale Trennung der Absorptionslinien der unterschiedlichen Spurengasspezies erreicht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Überwachen des Spurengases unter Berücksichtigung der erfassten Intensität des die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung ein Identifizieren des Spurengases, ein Ermitteln einer Konzentration des Spurengases und/oder ein Ermitteln einer Teilchenzahldichte des Spurengases umfasst. Das Verfahren ermöglicht also auf einfache Weise, nämlich durch Erfassen der Intensität der zweiten Mode, das Absorptionsspektrum des Spurengases zu erhalten, mittels dessen das Spurengas identifiziert werden kann und/oder die Konzentration und/oder die Teilchenzahldichte des Spurengases bestimmt werden kann. Insbesondere können mit der Messanordnung und dem Verfahren auch einzelne Isotope eines Isotopengemisches eines Spurengases identifiziert und deren Anteile quantifiziert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail beschreiben.
In den Zeichnungen zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung einer Verstärkungskurve eines Lasers der Messanordnung aus 1,
3 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine schematische Darstellung einer Verstärkungskurve eines Lasers der Messanordnung aus 4, und
6 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In 1 ist schematisch eine Messanordnung 10 zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas 12, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Messanordnung 10 umfasst einen Laser 14 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung 16. In Strahlrichtung 26 des Lasers 14 ist neben dem Laser 14 ein Polarisationsstrahlteiler 18 angeordnet. Der Laser umfasst einen Resonator 24 und ein Lasermedium 22, wobei das Lasermedium in dem Resonator 24 angeordnet ist. Das Lasermedium 22 ist vorliegend ein Helium-Neon Gasgemisch. Weiterhin befindet sich im Resonator 24 das Spurengas 12, vorliegend Methan. In diesem Ausführungsbeispiel übernimmt der Resonator 24 die Funktion einer Messzelle 20, in die das Spurengas 12 aufgenommen ist, in dem der Resonator 24 einen Raum zur Aufnahme des Spurengases 12 bereitstellt. Der Resonator 24 umfasst zwei Spiegel 24a und 24b, wobei aufgrund einer Spiegelreflektivität des einen Spiegels 24b von weniger als 100%, dieser Spiegel als Auskopplungsspiegel 24b für die elektromagnetische Strahlung 16 fungiert und derart die Strahlrichtung 26 des Lasers festlegt.
Der Laser 14 der vorliegenden Messanordnung 10 ist derart ausgestaltet, dass vom Laser 14 genau zwei zueinander konkurrierende Moden 28a, 28b emittiert werden, wobei es sich vorliegen um zwei linear polarisierte Moden 27a, 27b handelt, die eine orthogonale Polarisationen zueinander aufweisen. Weiterhin weisen die zwei Moden 28a, 28b eine Frequenz in der Nähe eines Absorptionsüberganges 30 des Spurengases 12 auf. Der Helium-Neon Laser weist einen Laserübergang bei 3,39 µm auf, was dem Übergang des 3s₂-Energiezustandes in den 3p₄-Energiezustand des Neon Atoms entspricht. Die 3,39 µm sind in der Nähe des P(7)-Überganges des v₃-Rotations-Schwingungsüberganges 30 des Methans bei etwa 3,39 µm.
Der Polarisationsstrahlteiler 18 der Messanordnung 10 ist dazu ausgestaltet, die elektromagnetische Strahlung 16 des Lasers 14 in einen die erste Mode 27a, 28a aufweisenden ersten Anteil 32a und einen die zweite Mode 27b, 28b ausweisenden zweiten Anteil 32b aufzuteilen. Vorliegend wird der erste Anteil 32a der elektromagnetischen Strahlung 16 des Lasers 14 vom Polarisationsstrahlteiler 18 transmittiert und der zweite Anteil 32b durch Reflexion abgelenkt. Weiterhin umfasst die Messanordnung 10 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Detektoren 34a, 34b die derart angeordnet sind, dass der erste Anteil 32a vom einen Detektor 34a und der zweite Anteil 32b vom anderen Detektoren 34b erfasst wird. Der erste Detektor 34a detektiert also den parallel polarisierten || Anteil 32a und der zweite Detektor 34b den senkrecht polarisierten ⊥ Anteil 32b der elektromagnetischen Strahlung 16.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verstärkungskurve 36 des Lasers 14 aus 1. Auf der x-Achse 38 des Diagrammes in 2 ist die Frequenz aufgetragen, auf dery-Achse 40 die Leistung. Weiterhin ist in 2 die Laserschwelle 42 eingezeichnet, die die minimal notwendige Pumpleistung des Lasers 14 darstellt, bei der sich Gewinn durch Energiezufuhr und Verlust durch Absorption im Lasermedium 22 und durch Auskopplung der erzeugten elektromagnetischen Strahlung 16 gerade ausgleichen. Die Laserschwelle 42 gibt damit den Punkt an, über dem der Laser 14 zu arbeiten beginnt.
In 2 sind zudem die Longitudinalmoden 31 eingezeichnet. Da der Resonator 24 des Lasers 14 im vorliegenden Ausführungsbeispiel 20 mm lang ist, weisen zwei aufeinanderfolgende Longitudinalmoden 31 einen Frequenzabstand 44 von etwa 7,5 GHz auf. Da der Helium-Neon Laser intrinsisch eine schmale Verstärkungskurve 36 mit einer Halbwertsbreite von etwa 1,5 GHz aufweist, ist beim Laser 14 vorliegend die Verstärkungskurve 36 mittels eins Magnetfeldes (nicht dargestellt) auf etwa 20 GHz verbreitert 46, was zu einem freien Spektralbereich von 8 GHz führt. Derart werden vom Laser 14 genau zwei im Frequenzabstand von 7,5 GHz aufeinanderfolgende Longitudinalmoden 31, 28a, 28b emittiert, die eine orthogonale Polarisationen zueinander aufweisen. Vorliegend ist die erste Longitudinalmoden 28a, 27a, 31 parallel polarisiert || ist und die zweite Longitudinalmoden 28b, 27b, 31 senkrecht polarisiert ⊥. Zudem ist in 2 ersichtlich, dass der Absorptionsübergang 30 des Methans spektral zwischen den beiden aufeinanderfolgende Moden 28a, 28b liegt.
Der Resonator 24 des Lasers 14 ist längenverstellbar, so dass durch Veränderung der Länge des Resonators die Frequenz der zwei Moden 28a, 28b verändert werden kann, was in 2 durch den Pfeile 48 schematisch dargestellt ist. Beim Verfahren zur Überwachung des Spurengases 12 wird die Länge des Resonators 24 derart verändert bis eine der beiden Moden 28a, 28b - vorliegend die erste Mode 28a - des Lasers 14 in ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges 30 des Spurengases 12 übereinstimmt und entsprechend vom Spurengas 30 absorbiert wird. Die dadurch auftretende Veränderung der Intensität der zweiten Mode 28b kann aufgrund der unterschiedlichen Polarisationen der Moden 28a, 28b kontinuierlich mittels den Detektoren 34a und 34b erfasst werden. Bei Absorption der ersten Mode 28a wird die verfügbare Pumpleistung des Lasers 14 für die zweite Mode 28b verwendet.
3 zeigt schematisch eine weitere Messanordnung 10 zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an dem Spurengas 12 (nicht dargestellt), gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Messanordnung 10 in 3 unterscheidet sich von der Messordnung 10 in 1 dahingehend, dass der Polarisationsstrahlteiler 18 nicht neben dem Laser 14, sondern innerhalb des Resonators 24 des Lasers 14 angeordnet ist. Der Resonator 24 umfasst drei Spiegel 24a, 24b, wobei zwei Spiegel davon Auskopplungsspiegel 24b sind. Die Auskopplungsspiegel 24b sind über piezogesteuerte Spiegelaktuatoren (nicht dargestellt) verschiebbar, so dass die erste Mode 27a, 28a unabhängig von der zweiten Mode 27b, 28b in ihrer Frequenz veränderbar ist und umgekehrt.
In 4 ist schematisch eine weitere Messanordnung 10 zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an dem Spurengas 12, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zur Messanordnung 10 aus 1, umfasst die Messanordnung des vorliegenden Ausführungsbeispiel keinen Polarisationsstrahlteiler 18. Weiterhin ist der Laser 14 des vorliegenden Ausführungsbeispiel derart ausgestaltet, dass der Laser 14 genau zwei Moden 28a, 28b emittiert, wobei die erste Moden 28a eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges 30 des Spurengases 12 aufweist, wobei die zwei Moden 28a, 28b zueinander in Konkurrenz stehen, und wobei das Lasermedium 22 mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden 28a, 28b zwei Moden 29a, 29b mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. Das Lasermedium 22 ist vorliegend ein Helium-Neon Gasgemisch. Weiterhin befindet sich im Resonator 24 das Spurengas 12, vorliegend Methan.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Verstärkungskurve 36 des Lasers 14 aus 4. Auf der x-Achse 38 des Diagrammes in 5 ist die Frequenz aufgetragen, auf der y-Achse 40 die Leistung. Weiterhin ist in 5 die Laserschwelle 42 eingezeichnet, die die minimal notwendige Pumpleistung des Lasers 14 darstellt, über der der Laser 14 zu arbeiten beginnt.
Vorliegend handelt es sich beim Laser 14 ebenfalls um einen Helium-Neon Laser. Das Lasermedium 22, also das Helium-Neon-Gasgemisch stellt unterschiedliche Laserübergänge bereit. Aus 5 ist ersichtlich, dass das Lasermedium 22 zwei miteinander wechselwirkende Verstärkungskurven 36 aufweist, wobei jede Verstärkungskurve 36 eine Mode 28a, 28b aufweist. Es liegt also ein einmodiger Laserresonator für die erste Verstärkungskurve 36 vor und ein einmodiger Laserresonator für die zweite Verstärkungskurve 36. Derart werden vom Laser 14 genau zwei Moden 28a, 28b emittiert, die unterschiedliche Laserwellenlängen aufweisen. Der Laser 14 ist vorliegend derart ausgestaltet, dass die Laserübergänge bei 632,816 nm und bei 3392,2 nm vom Laser 14 unterstützt werden, wobei der Laserübergang bei 632,816 nm die zweite Mode 28b ist und der Laserübergang bei 3392,2 nm die erste Mode 28a. Entsprechend ist die Frequenz der ersten Mode 28a in der Nähe des Absorptionsüberganges des Methans 12.
Wenn die Frequenz der ersten Mode bei 3392,2 nm derart verschoben wird, dass sie mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Methans 12 übereinstimmt, führt dies zu einer Erhöhung der Intensität der zweiten Mode bei 632,816 nm. Zwecks Detektion umfasst die Messanordnung 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen Detektor 34, vorliegend eine Silizium-Photodiode. Diese ist nicht geeignet die Intensität bei 3392,2 nm zu erfassen, sondern detektiert lediglich im Spektralbereich von etwa 190 - 1100 nm. Derart ist es nicht notwendig, dass ein Spektralfilter verwendet wird.
In 6 ist schematisch eine weitere Messanordnung 10 zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas 12, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zur Messanordnung 10 in 1 bei der der Resonator 24 die Funktion der Messzelle 20 übernimmt, ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Resonator 24 innerhalb der Messzelle 20 angeordnet ist. Weiterhin weist die Messzelle 20 ein mikrofluidisches System 50 auf, das erlaubt den Druck des Spurengases 12 innerhalb der Messzelle 20 zu verändern. Vorliegend umfasst die Messanordnung 10 keinen Polarisationsstrahlteiler 18 und lediglich einen Detektor 34. Die gezeigte Ausgestaltung der Messzelle 20 kann aber selbstverständlich auch bei der Ausführung mit Polarisationsstrahlteiler gemäß 1 oder 3 verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Messanordnung
12: Spurengas
14: Laser
16: elektromagnetische Strahlung
18: Polarisationsstrahlteiler
20: Messzelle
22: Lasermedium
24: Resonator
24a: Spiegel
24b: Auskopplungsspiegel
26: Strahlrichtung des Lasers
27a, 27b: linear polarisierte Moden
28a, 28b: emittierte Moden
29a, 29b: Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge
30: Absorptionsübergang des Spurengases
31: Longitudinalmoden
32a: erster Anteil der elektromagnetischen Strahlung
32b: zweiter Anteil der elektromagnetischen Strahlung
34: Detektor
36: Verstärkungskurve
38: x-Achse, Frequenz
40: y-Achse, Leistung
42: Laserschwelle
44: Frequenzabstand
46: Breite der Verstärkungskurve
48: Pfeil, Verschieben der Frequenz der ersten Mode
50: mikrofluidisches System
||: parallele Polarisation
⊥: senkrechte Polarisation

Claims

Messanordnung (10) zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas (12), umfassend einen Laser (14) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (16), und eine Messzelle (20) zur Aufnahme des Spurengases (12), wobei der Laser (14) ein Lasermedium (22) und einen Resonator (24) umfasst, wobei das Lasermedium (22) im Resonator (24) angeordnet ist, wobei der Resonator (24) und/oder die Messzelle (20) derart ausgestaltet ist, dass das Spurengas (12) in den Resonator (24) einbringbar ist, wobei der Laser (14) derart ausgestaltet ist, dass genau zwei Moden (28a, 28b) emittiert werden, wobei eine der zwei Moden (28a, 28b) eine Frequenz in der Nähe eines Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) aufweist, wobei die zwei Moden (28a, 28b) zueinander in Konkurrenz stehen, und wobei a) die Messanordnung einen Polarisationsstrahlteiler umfasst, die zwei Moden (28a, 28b) zwei linear polarisierte Moden (27a, 27b) sind und die zwei linear polarisierten Moden (27a, 27b) orthogonale Polarisation zueinander aufweisen, oder b) das Lasermedium (22) mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden (28a, 28b) zwei Moden (29a, 29b) mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind.
Messanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Laser (14) derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden (28a, 28b), die zueinander in Konkurrenz stehen, zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden (31) sind.
Messanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Laser (14) derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden (28a, 28b), die zueinander in Konkurrenz stehen, nicht zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden (31) sind.
Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (14) derart ausgestaltet ist, dass eine Frequenz des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) zwischen den Frequenzen der zwei Moden (28a, 28b) des Lasers (14) liegt.
Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messanordnung den Polarisationsstrahlteiler (18) umfasst, wobei der Polarisationsstrahlteiler (18) dazu ausgestaltet ist, die elektromagnetische Strahlung (16) des Lasers (14) in einen die erste Mode (27a, 28a) aufweisenden ersten Anteil (32a) und einen die zweite Mode (27b, 28b) aufweisenden zweiten Anteil (32b) aufzuteilen.
Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messanordnung den Polarisationsstrahlteiler (18) umfasst, wobei der Polarisationsstrahlteiler (18) in Strahlrichtung (26) des Lasers (14) neben dem Resonator (24) angeordnet ist oder wobei der Polarisationsstrahlteiler (18) innerhalb des Resonators (24) des Lasers (14) angeordnet ist.
Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Resonator (24) wenigstens einen hochreflektierenden Spiegel (24a) und wenigstens einen Auskopplungsspiegel (24b) umfasst.
Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lasermedium (22) mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden (28a, 28b) zwei Moden (29a, 29b) mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind, und wobei der Resonator (24) wenigstens einen Spiegel aufweist, dessen Spiegelreflektivität für die unterschiedlichen Laserwellenlängen unterschiedlich hoch ist.
Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend wenigstens einen Detektor (34a, 34b) zum Erfassen einer Intensität der elektromagnetischen Strahlung (16), wobei der Detektor (34a, 34b) derart angeordnet ist, dass eine Intensität eines die erste Mode (28a) aufweisenden ersten Anteils (32a) und/oder eine Intensität eines die zweite Mode (28b) ausweisenden zweiten Anteils (32b) der elektromagnetischen Strahlung (16) des Lasers (14) erfassbar ist.
Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lasermedium (22) gasförmig ist und Gasdruck, Gastemperatur und/oder Gasmischverhältnis des Lasermediums (22) derart ist, dass genau zwei Moden (28a, 28b) emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden (28a, 28b) eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) aufweist.
Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich das Lasermedium (14) in einem Magnetfeld, elektrischen Feld und/oder elektromagnetischen Feld befindet, und das Magnetfeld, elektrische Feld und/oder das elektromagnetische Feld derart ist, dass vom Laser (14) genau zwei Moden (28a, 28b) emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden (28a, 28b) eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) aufweist.
Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messzelle (20) derart ausgestaltet ist, dass ein Druck des Spurengases (12) in der Messzelle (20) veränderbar ist.
Verfahren zum Überwachen eines Spurengases (12) mittels einer Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Spurengas (12) in den Resonator (24) eingebracht ist, umfassend die Schritte - Betreiben des Lasers (14) im zwei-Moden-Betrieb, derart dass genau zwei Moden (28a, 28b) emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine erste Mode (28a) der zwei Moden (28a, 28b) eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) aufweist, - Verändern der Frequenz der ersten Mode (28a), derart dass ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) übereinstimmt, - Erfassen einer Intensität eines die zweite Mode (28b) ausweisenden zweiten Anteils (32b) der elektromagnetischen Strahlung (16) des Lasers (14) mittels eines Detektors (34a, 34b), und - Überwachen des Spurengases (12) unter Berücksichtigung der erfassten Intensität des die zweite Mode (28b) aufweisenden zweiten Anteils (32b) der elektromagnetischen Strahlung (16).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schritt Erfassen der Intensität des die zweite Mode (28b) aufweisenden zweiten Anteils (32) der elektromagnetischen Strahlung (16), ein kontinuierliches Erfassen der Intensität des die zweite Mode (28b) aufweisenden zweiten Anteils (32b) beim Verändern der Frequenz der ersten Mode (28a) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei das Überwachen des Spurengases (12) unter Berücksichtigung der erfassten Intensität des die zweite Mode (28b) aufweisenden zweiten Anteils (32) der elektromagnetischen Strahlung (16) ein Identifizieren des Spurengases (12), ein Ermitteln einer Konzentration des Spurengases (12) und/oder ein Ermitteln einer Teilchenzahldichte des Spurengases (12) umfasst.