DE102021108533A1

DE102021108533A1 - Optische Vorrichtung mit einer Triggereinheit, Triggereinheit und Verfahren zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren

Info

Publication number: DE102021108533A1
Application number: DE102021108533.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kölbl; Lisa Dreier
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-04-06
Filing date: 2021-04-06
Publication date: 2022-10-06
Also published as: DE112022001984A5; WO2022214404A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung (100) sowie ein Verfahren zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren einer Probe (30), mit einem durchstimmbaren Laser (10), welcher zum wiederholten Einstrahlen von Laserlicht (16) als Wellenlängenscans über einen definierten Wellenlängenbereich auf die Probe (30) ausgebildet ist, eine Triggereinheit (40) und eine Datenerfassungseinheit (60). Der Laser (10) ist zur Ausgabe wenigstens eines ersten Triggersignals (12) und eines zweiten Triggersignals (14) ausgebildet, wobei das erste Triggersignal (12) einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt und das zweite Triggersignal (14) ein Raster von über den definierten durchstimmbaren Wellenlängenbereich in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen (38) aufweist. Die Triggereinheit (40) weist ferner einen Addierer (54) auf, der ausgebildet ist, die Triggersignale (12, 14) zu addieren, sowie einen Mischer (56), der ausgebildet ist, die Triggersignale (12, 14) mit dem Referenzsignal (28) zu dem Triggerausgangssignal (58) zu mischen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit einer Triggereinheit zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren einer Probe, sowie eine Triggereinheit zur Verarbeitung wenigstens eines ersten Triggersignals, eines zweiten Triggersignals und eines Referenzsignals eines durchstimmbaren Lasers einer optischen Vorrichtung zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren und ein Verfahren zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren mit einer optischen Vorrichtung.
Infrarotspektroskopische Messungen werden immer öfter mit durchstimmbaren Quantenkaskadenlasern (QCL) anstelle von Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) Spektrometern durchgeführt, da mit QCLs ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann. Vor allem die MIR-Laserquelle beschränkte bislang die Anwendungsmöglichkeiten, weil insbesondere bei hohen Durchstimmgeschwindigkeiten ein Kompromiss zwischen Strahlqualität und Wellenlängengenauigkeit gewählt werden musste. Neue IR-Laserquellen im mittleren Infrarot (MIR) Bereich ermöglichen dagegen eine hohe Durchstimmgeschwindigkeit von über 1000 cm^-1/s und zugleich eine hohe Strahlqualität und spektrale Wiederholgenauigkeit. Die Verknüpfung mehrerer sogenannter External-Cavity-Quantenkaskadenlaser ermöglicht einen ultrabreiten spektralen Durchstimmbereich, sowohl für gepulste als auch CW-Systeme.
Diese neue Generation an Lasern ermöglicht MIR Absorptionsmessungen mit chemischer Selektivität und hoher Empfindlichkeit, welche beispielsweise in der Ferndetektion zur Spektroskopie an Proben mit geringen Konzentrationen und/oder über größere Distanzen eingesetzt werden können. Das System besteht hierbei in der Regel aus der durchstimmbaren MIR-Laserquelle, Optiken und einem, bzw. mehreren Signaldetektoren.
Während die ausgesandte Wellenlänge des Lasers über einen bestimmten Wellenlängenbereich durchgestimmt wird, wird das Messsignal dieses sogenannten Wellenlängenscans mit Signaldetektoren aufgenommen und das elektrische Signal der Signaldetektoren mit einem Analog-Digital Wandler (ADC) erfasst. Um eine entsprechende Statistik zu erhalten, werden üblicherweise viele dieser Wellenlängenscans hintereinander aufgenommen und die Messdaten gemittelt.
Bei dem Scanvorgang des Lasers und bei der Datenerfassung, bei der in einem ersten Schritt eine elektrische Spannung in Abhängigkeit der Zeit aufgenommen wird, nimmt der Signaldetektor, bzw. der ADC nur das Messsignal mit einem Zeitstempel auf. In einem nachfolgenden, zweiten Schritt werden dem Messsignal die zugehörigen Wellenlängen zugeordnet, was als Wellenlängenkalibrierung bezeichnet wird.
Zur Wellenlängenkalibrierung werden, je nach Art des QCL-Lasersystems, bislang hauptsächlich zwei Methoden eingesetzt: Kalibrierung mittels eines Fabry-Perot Etalons oder eine Referenzmessung mittels einer Polymerfolie oder Gaszelle.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren einer Probe zu schaffen, welche eine effiziente Kalibrierung der Messdaten ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Triggereinheit einer optischen Vorrichtung zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren zu schaffen, welche eine effiziente Kalibrierung der Messdaten ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren mit einer optischen Vorrichtung anzugeben, welches eine effiziente Kalibrierung der Messdaten ermöglicht.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine optische Vorrichtung zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren einer Probe vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen durchstimmbaren Laser, welcher zum wiederholten Einstrahlen von Laserlicht als Wellenlängenscan über einen definierten Wellenlängenbereich auf die Probe ausgebildet ist, wenigstens einen Referenzdetektor in einem Referenzstrahlengang, in dem ein Teil des ausgesendeten Laserlichts empfangen und in ein Referenzsignal umgewandelt wird, wenigstens einen Signaldetektor, der an der Probe gestreutes Laserlicht empfängt und in ein Messsignal umwandelt, wenigstens eine Triggereinheit mit wenigstens einem Eingang für Triggersignale, wenigstens einem Eingang für das Referenzsignal sowie wenigstens einem Ausgang für ein Triggerausgangssignal, und eine Datenerfassungseinheit, die ausgebildet ist, ein Triggerausgangssignal und das Messsignal zu erfassen.
Dabei ist der Laser zur Ausgabe wenigstens eines ersten Triggersignals und eines zweiten Triggersignals ausgebildet, wobei das erste Triggersignal einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt und das zweite Triggersignal ein Raster von über den definierten durchstimmbaren Wellenlängenbereich in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen aufweist. Die Triggereinheit weist ferner einen Addierer auf, der ausgebildet ist, die Triggersignale zu addieren, sowie einen Mischer, der ausgebildet ist, die Triggersignale mit dem Referenzsignal zu dem Triggerausgangssignal zu mischen.
Vorteilhaft wird mit der vorgeschlagenen optischen Vorrichtung eine effiziente Art der Wellenlängenkalibrierung mittels einer Triggereinheit eingesetzt. Eine Wellenlängenkalibrierung und Leistungskalibrierung ist mit nur einem einzigen Referenzdetektor und einem einzigen ADC-Kanal möglich, sodass insgesamt nur zwei Datenerfassungskanäle für die Messung benötigt werden. Hierbei wird ein digitaler sogenannter Scantrigger als erstes Triggersignal, bzw. ein sogenannter Wellenlängentrigger als zweites Triggersignal ausgenutzt, welche durch den Laser während des Scanvorgangs bereitgestellt werden.
Der Scantrigger als erstes Triggersignal ist mit dem ausgesendeten Wellenlängenscan dergestalt synchronisiert, dass der Scantrigger einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt. Der Scantrigger gibt an, dass der Laser aktiv scannt und gleichzeitig Laserlicht emittiert. Aktiv scannen bedeutet, dass die Wellenlänge des Lasers von einem Startwert bis zu einem Endwert verändert wird, insbesondere kontinuierlich oder schrittweise verändert wird. Damit gibt der Scantrigger an, ob gerade ein Lasermodul aktiv ist. Beispielsweise beim Anfahren des Lasers oder beim Wechsel eines Lasermoduls weist der Scantrigger ein elektrisches LOW-Signal auf, während beim Durchlaufen eines Lasermoduls der Scantrigger ein elektrisches HIGH-Signal aufweist.
Ein LOW-Signal entspricht beispielsweise 0 V und ein HIGH-Signal beispielsweise 2 V. Dadurch können später die Signale der einzelnen Lasermodule voneinander separiert werden.
Der Wellenlängentrigger als zweites Triggersignal weist ein Raster von über den definierten Wellenlängenbereich des Wellenlängenscans in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen auf, sodass die jedem Abtastpuls entsprechende Wellenlänge prinzipiell bekannt ist. Der Wellenlängentrigger gibt einen elektrischen LOW-Pegel, bzw. einen HIGH-Pegel aus, sodass über die Messeinstellung durch Zählen der Wellenlängentriggerpulse auf die Wellenlänge rückgeschlossen werden kann. Je nach Einstellung können einzelne digitale Pulse innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs und Wellenlängenintervalls ausgegeben werden. Beispielsweise werden beim Scan im Wellenlängenbereich von 7,9 - 11,1 µm im Bereich von 8,0 - 11,0 µm Abtastpulse im Abstand von 0,5 µm als Wellenlängentrigger ausgegeben, sobald beim kontinuierlichen Durchstimmprozess die Wellenlänge 8,0 µm, 8,5 µm, 9,0 µm, usw. erreicht wird.
Vorteilhaft weist die Triggereinheit getrennte Eingänge für die beiden Triggersignale auf. In der Triggereinheit werden die beiden Triggersignale angepasst, anschließend addiert und mit dem Referenzsignal geeignet gemischt. Damit können die beiden Triggersignale und das Referenzsignal simultan in einem Kanal erfasst werden.
Im Vergleich zum Stand der Technik ergeben sich so deutliche Vorteile hinsichtlich der Effizienz der Kalibrierung von Messdaten.
Mit der optischen Vorrichtung kann eine universell einsetzbare Kalibrierungsmethode, unabhängig von den eingesetzten Laser-Modulen und von deren Wellenlänge, eingesetzt werden. Die Technik kann sowohl für den gepulsten als auch für kontinuierlichen Laser-Betrieb eingesetzt werden und ist vorteilhaft unabhängig von der Linienbreite des Lasers.
Eine minimal mögliche Anzahl an Datenerfassungskanälen und Detektoren ist ausreichend, um zeitsynchron, insbesondere simultan, eine Wellenlängenkalibrierung, eine Intensitätskalibrierung und ein Messsignal aufzunehmen. Insbesondere bei hohen Messraten und geringen erwartbaren Signalintensitäten sind die Kosten für einen ansonsten notwendigen zusätzlichen Datenerfassungskanal hoch. Die Systemkosten können im Vergleich zu anderen Systemen vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung deutlich reduziert werden.
Die Erfassung des Scantriggers ermöglicht auch bei hohen Messraten und/oder geringen Signalintensitäten am Signaldetektor eine zuverlässige, automatisierte Separation der einzelnen Scanbereiche.
Ein modularer Systemaufbau ist möglich. Messung und Datenerfassung können voneinander entkoppelt und unabhängig sein. Auch bei hohen Messraten kann dadurch eine schnelle Datenerfassung, bzw. Prozessierung der Messsignale, realisiert werden.
Mit der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung kann besonders vorteilhaft eine Wellenlängenkalibrierung der aufgenommenen Absorptionsspektren durchgeführt werden. Die Wellenlängenkalibrierung ist vor allem deshalb günstig, weil sich beispielsweise die Motoren, welche ein Gitter in der Laserkavität zum Durchstimmen des Wellenlängenbereichs bewegen, üblicherweise nicht mit einer konstanten, bzw. wiederholbaren Geschwindigkeit bewegen und damit zwangsläufig eine Variation der Wellenlängenänderung während des Durchstimmprozesses auftritt.
Des Weiteren werden oft mehrere Lasermodule in einem Laser verwendet, um einen größeren Wellenlängenbereich im mittleren infraroten Spektralbereich (MIR-Bereich) abdecken zu können. Hierbei wird während des Durchstimmens bei definierten Wellenlängen zwischen den einzelnen Modulen umgeschaltet. Obwohl kein Laserlicht emittiert wird, nimmt der Signaldetektor in dieser Zeit trotzdem kontinuierlich Daten auf. Aus diesen Gründen ist die Abbildung der Zeitstempel der gemessenen Messsignale auf eine Wellenlängenskala nichtlinear und in der Regel injektiv, sodass eine Umrechnung im nachträglichen Prozessieren der Daten (Postprocessing) zunächst nicht möglich ist. Mit der vorgeschlagenen optischen Vorrichtung können diese Nachteile umgangen werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann die Triggereinheit eine oder mehrere Pegelanpassungskomponenten aufweisen, die ausgebildet sind, einen Pegel der Triggersignale, insbesondere des ersten und zweiten Triggersignals, auf einen Pegel des Referenzsignals anzupassen. Die Signalpegel der beiden digitalen Triggersignale (beispielsweise 0V und 2V) des Lasers, beispielsweise des Scantriggers und des Wellenlängentriggers, können günstigerweise in der Triggereinheit zunächst optimal auf die spätere Messkonfiguration angepasst werden. Je nach Pegel des Referenzsignals werden beide normalerweise abgeschwächt (Widerstandsschaltung), können bei Bedarf aber auch verstärkt (Verstärkerschaltung) werden. Dadurch kann gewährleistet werden, dass trotz ursprünglich unterschiedlicher Signalpegel zwischen den drei Kanälen ein Erkennen aller Einzelsignale auf dem Messsignal möglich ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann der Mischer als Bias-T-Mischer ausgebildet sein. Mittels eines sogenannten Bias-T-Mischers kann das langsam veränderliche addierte Triggersignal mit dem hochfrequenten und damit schnell veränderlichen Signal aus dem Referenzdetektor günstig kombiniert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann der Addierer als Analog-Addierer ausgebildet sein. Ein Analog-Addierer führt Additionsoperationen besonders schnell durch und ist relativ einfach umzusetzen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann der Laser zur Ausgabe eines dritten Triggersignals ausgebildet sein, welches eine Richtung der Wellenlängenänderung beim Durchstimmen des Lasers angibt. Dabei kann die Triggereinheit einen weiteren Eingang zur Erfassung des dritten Triggersignals aufweisen, mit dem die Triggereinheit die Richtung der Wellenlängenänderung des Wellenlängenscans des Laserlichts erfasst. Mittels des dritten Triggersignals kann vorteilhaft bei einem bidirektionalen Wellenlängenscan auch die Scan-Richtung mit erfasst werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann der Laser als Quantenkaskadenlaser ausgebildet sein. Ein Quantenkaskadenlaser weist ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als andere, sonst üblicherweise verwendete Laser, auf.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann die Datenerfassungseinheit ausgebildet sein, das Triggerausgangssignal und das Messsignal zeitsynchron zu erfassen. Aufgrund der geringen Anzahl an benötigten ADCs kann die Datenerfassung zeitsynchron durchgeführt werden, da auf Multiplexing verschiedener Kanäle verzichtet werden kann, die für solche zeitkritischen Anwendungen wenig geeignet sind.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann eine zeitsynchrone Wellenlängenkalibrierung und/oder zeitsynchrone Intensitätskalibrierung der Wellenlängenbereiche der zeitabhängigen Messsignale vorgesehen sein.
Vorteilhaft kann mit einer geringen, insbesondere minimal möglichen Anzahl an Datenerfassungskanälen und Detektoren zeitsynchron, insbesondere simultan eine Wellenlängenkalibrierung und Intensitätskalibrierung durchgeführt und ein Messsignal aufgenommen werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Triggereinheit zur Verarbeitung wenigstens eines ersten Triggersignals, eines zweiten Triggersignals und eines Referenzsignals eines durchstimmbaren Lasers einer optischen Vorrichtung zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren vorgeschlagen, mit wenigstens einem Eingang für das erste Triggersignal, wenigstens einem Eingang für das zweite Triggersignal und einem Eingang für das Referenzsignal, sowie wenigstens einem Ausgang für ein Triggerausgangssignal, sowie mit einem Addierer, der ausgebildet ist, die Triggersignale zu addieren und mit einem Mischer, der ausgebildet ist, die Triggersignale mit dem Referenzsignal zu dem Triggerausgangssignal zu mischen.
Vorteilhaft kann die vorgeschlagene Triggereinheit für eine effiziente Art der Wellenlängenkalibrierung eingesetzt werden. Eine Wellenlängenkalibrierung und Leistungskalibrierung ist mit nur einem Referenzdetektor und einem ADC-Kanal möglich, sodass insgesamt nur zwei Datenerfassungskanäle für die Messung benötigt werden. Hierbei wird ein digitaler sogenannter Scantrigger als erstes Triggersignal, bzw. ein sogenannter Wellenlängentrigger als zweites Triggersignal ausgenutzt, welche durch den Laser während des Scanvorgangs bereitgestellt werden.
Der Scantrigger als erstes Triggersignal beispielsweise kann mit dem ausgesendeten Wellenlängenbereich dergestalt synchronisiert sein, dass der Scantrigger einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt.
Der Wellenlängentrigger als zweites Triggersignal beispielsweise kann ein Raster von über den definierten Wellenlängenbereich des Wellenlängenscans in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen aufweisen, sodass die jedem Abtastpuls entsprechende Wellenlänge bekannt ist. Je nach Einstellung können einzelne digitale Pulse innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs und Wellenlängenintervalls ausgegeben werden. Beispielsweise werden beim Scan im Wellenlängenbereich von 7,9 - 11,1 µm im Bereich von 8,0 - 11,0 µm Abtastpulse im Abstand von 0,5 µm als Wellenlängentrigger ausgegeben, sobald beim kontinuierlichen Durchstimmprozess die Wellenlänge 8,0 µm, 8,5 µm, 9,0 µm, usw. erreicht wird.
Vorteilhaft kann die Triggereinheit getrennte Eingänge für die beiden Triggersignale aufweisen. In der Triggereinheit werden die beiden Triggersignale angepasst, anschließend addiert und mit dem Referenzsignal geeignet gemischt. Damit können die beiden Triggersignale und das Referenzsignal simultan in einem Kanal erfasst werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Triggereinheit Pegelanpassungskomponenten umfassen, die ausgebildet sind, einen Pegel der Triggersignale auf einen Pegel des Referenzsignals anzupassen. Die Signalpegel der beiden digitalen Triggersignale (beispielsweise 0V und 2V) des Lasers, beispielsweise des Scantriggers und des Wellenlängentriggers, können günstigerweise in der Triggereinheit zunächst optimal auf die spätere Messkonfiguration angepasst werden. Je nach Pegel des Referenzsignals werden beide normalerweise abgeschwächt (Widerstandsschaltung), können bei Bedarf aber auch verstärkt (Verstärkerschaltung) werden.
Dadurch kann gewährleistet werden, dass trotz ursprünglich unterschiedlicher Signalpegel zwischen den drei Kanälen ein Erkennen aller Einzelsignale auf dem Messsignal möglich ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Triggereinheit kann der Mischer als Bias-T-Mischer ausgebildet sein. Mittels eines sogenannten Bias-T-Mischers kann das langsam veränderliche addierte Triggersignal mit dem hochfrequenten und damit schnell veränderlichen Signal aus dem Referenzdetektor günstig kombiniert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Triggereinheit einen weiteren Eingang zur Erfassung eines dritten Triggersignals umfassen, um die Richtung der Wellenlängenänderung der durchstimmbaren Wellenlängenbereiche des Referenzsignals zu erfassen. Mit dem dritten Triggersignal kann die Triggereinheit die Richtung der Wellenlängenänderung des Wellenlängenscans des Laserlichts erfassen. Auf diese Weise kann vorteilhaft bei einem bidirektionalen Wellenlängenscan auch die Scan-Richtung mit erfasst werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Triggereinheit können bidirektionale Wellenlängenscans des Laserlichts verarbeitet werden. Mittels eines Scan-Richtungstriggersignals kann die Richtung der Wellenlängenänderung des Wellenlängenscans erfasst und bei der Auswertung der Messsignale berücksichtigt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Triggereinheit kann der Addierer als Analog-Addierer ausgebildet sein. Ein Analog-Addierer führt Additionsoperationen besonders schnell durch und ist relativ einfach umzusetzen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren mit einer optischen Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend wenigstens die Schritte Aussenden von Laserlicht eines Lasers als Wellenlängenscan über einen definierten Wellenlängenbereich auf eine Probe; Erfassen von Referenzsignalen eines Referenzdetektors, und von ersten und zweiten Triggersignalen des Lasers in einer Triggereinheit, wobei das erste Triggersignal einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt und das zweite Triggersignal ein Raster von über den definierten durchstimmbaren Wellenlängenbereich in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen aufweist; Addieren der Triggersignale in der Triggereinheit und Mischen mit den Referenzsignalen, Ausgeben als Triggerausgangssignale; Erfassen von Messsignalen eines Messdetektors des von der Probe gestreuten Laserlichts, und den Triggerausgangssignalen in einer Datenerfassungseinheit; Ausschneiden der zeitabhängigen Messsignale der einzelnen Wellenlängenscans des Laserlichts mittels eines ersten Triggersignals; Umwandeln des zeitabhängigen Triggerausgangssignals in ein wellenlängenabhängiges Referenzspektrum mittels eines zweiten Triggersignals; Umwandeln der zeitabhängigen Messsignale in ein wellenlängenabhängiges Messspektrum mittels des zweiten Triggersignals; Normieren des frequenzabhängigen Messspektrums zu einem normierten Messspektrum mittels des Referenzspektrums; und Bestimmen eines Absorptionsspektrums.
Laserlicht des Lasers wird als so genannte Wellenlängenscans über definierte durchstimmbare Wellenlängenbereiche auf eine Probe eingestrahlt und von der Probe gestreutes Laserlicht wieder von der optischen Vorrichtung registriert.
Parallel dazu werden von einer Triggereinheit in einem Referenzstrahlengang durch einen Referenzdetektor detektierte Referenzsignale erfasst. Der Referenzdetektor detektiert die einzelnen Pulszüge, bevorzugt beispielsweise mit einer Frequenz von mindestens 1 MHz und einer Pulsdauer von höchstens 100 ns, die vom Laser emittiert werden. Niedrigere Frequenzen und längere Pulsdauern können jedoch prinzipiell verwendet werden.
Der Laser gibt wenigstens zwei Triggersignale aus, nämlich einen Scantrigger als erstes Triggersignal sowie einen Wellenlängentrigger als zweites Triggersignal. Der Scantrigger als erstes Triggersignal ist mit dem ausgesendeten Wellenlängenbereich dergestalt synchronisiert, dass der Scantrigger einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt. Der Scantrigger gibt beispielsweise an, dass der Laser die gewünschte Wellenlängenposition angefahren hat und Laserlicht emittiert.
Der Wellenlängentrigger als zweites Triggersignal weist ein Raster von über den definierten Wellenlängenbereich des Wellenlängenscans in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen auf, sodass die jedem Abtastpuls entsprechende Wellenlänge bekannt ist. Je nach Einstellung können einzelne digitale Pulse innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs und Wellenlängenintervalls ausgegeben werden.
Die beiden Triggersignale werden ebenfalls von der Triggereinheit erfasst und nach einer optionalen Pegelanpassung analog-elektronisch addiert.
Im nächsten Schritt erfolgt die Mischung mit dem Referenzsignal des Referenz-Detektors. Mittels eines sogenannten Bias-T-Mischers kann das langsam veränderliche addierte Triggersignal mit dem hochfrequenten und damit schnell veränderlichen Signal aus dem Referenzdetektor kombiniert werden.
Das so erzeugte kombinierte Signal kann dann in der Datenerfassung parallel zum Messsignal von der Probe aufgenommen werden.
Mit den so aufgenommenen Daten ist eine einfache und rasche Wellenlängenkalibrierung und auch Intensitätskalibrierung der einzelnen Messspektren in Echtzeit mit nur zwei Datenerfassungskanälen, nämlich den Messsignalen und den Referenzsignalen, möglich.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Messung mit dem Durchstimmen der Laserwellenlänge vollständig von der Datenakquisition und weiteren Verarbeitung entkoppelt werden. Im ersten Schritt der Datenverarbeitung wird nun aus den aufgenommenen Zeittransienten ein Absorptionsspektrum berechnet, indem die durch die Triggereinheit aufmodulierten Triggersignale softwareseitig wieder demoduliert werden.
In einem ersten Schritt werden die einzelnen Wellenlängenscans mithilfe des ersten Triggersignals, des Scantriggers, welches zwischen den Wellenlängenscans, beispielsweise durch eine Rückkehr des Gitters des Lasers zur Startposition, und auch bei den Lasermodulwechseln unterbrochen ist, getrennt. Die Zeitabschnitte, in denen der Laser nicht emittiert, bzw. keine Informationen für die eigentliche Absorptionsmessung akquiriert werden, werden herausgeschnitten und nicht berücksichtigt.
Anschließend werden die Zeitstempel der zweiten Triggersignale, der einzelnen Wellenlängentrigger bestimmt. Mithilfe dieser wird nun die Zeittransiente in ein Spektrum überführt, indem durch eine injektive Abbildung die bekannten Wellenlängen der Wellenlängentrigger auf die Zeitstempel der Messung projiziert werden. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Wellenlängentriggersignalen variiert, weshalb sich die Anzahl der Messpunkte zwischen unterschiedlichen Wellenlängentriggern ebenfalls verändert. Durch ein geeignetes, so genanntes Binning-Verfahren können die Daten so angepasst werden, dass die Messpunkte auf der Zeit-Achse äquidistant sind. Das Referenzspektrum ist damit kalibriert.
Anhand der Zeitstempel kann die Projektion der Wellenlängentriggersignale nicht nur mit dem Referenzsignal, sondern auch mit dem Messsignal durchgeführt werden. Somit erhält man ein vollständig kalibriertes Absorptionsspektrum.
Neben der Wellenlängenkalibrierung kann anhand der Referenzmessung eine Intensitätskalibrierung durchgeführt werden. Dadurch wird das Absorptionsspektrum ausschließlich durch das Absorptionsverhalten der Probe, bzw. der Atmosphäre zwischen optischer Vorrichtung und Probe bestimmt. Veränderungen innerhalb der optischen Vorrichtung, wie beispielsweise Veränderungen in der Laserleistung, Nichtlinearität der Detektoren, können mit dieser Methode kompensiert werden.
Voraussetzung hierfür ist, dass die Detektoren einmal in Bezug aufeinander kalibriert werden und damit die Transferfunktion bekannt ist. Hierzu können sogenannte Neutraldichte (ND) - Filter mit unterschiedlichen Abschwächungsgraden in den Strahlengang unmittelbar nach dem Laserausgang eingebracht und die Spektren in beiden Kanälen als Referenzsignal und Messsignal gemessen und gegen den jeweiligen ND-Filterwert aufgetragen werden.
Durch entsprechende Interpolation kann somit für eine gemessene Signalspannung für eine beliebige Wellenlänge der Zusammenhang zur zu erwartenden elektrischen Referenzspannung in Bezug auf die einmalig durchgeführte Kalibrierungsmessung ermittelt werden. Diese kompensiert insbesondere ein nichtlineares Detektorverhalten.
Durch einen entsprechenden Auswertealgorithmus kann auf dieser Basis das tatsächliche Absorptionsspektrum berechnet werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Demodulation des Triggerausgangssignals zur Rekonstruktion des ersten Triggersignals und des zweiten Triggersignals sowie des Referenzsignals durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Messung mit dem Durchstimmen der Laserwellenlänge vollständig von der Datenakquisition und weiteren Verarbeitung entkoppelt werden. Aus den aufgenommenen Zeittransienten kann ein Absorptionsspektrum berechnet werden, indem die durch die Triggereinheit aufmodulierten Triggersignale softwareseitig wieder demoduliert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann aus dem normierten Messspektrum mittels Kalibrationsdaten, bzw. vorher erstellten Umsetzungstabellen des Referenzdetektors und des Signaldetektors das Absorptionsspektrum bestimmt werden. Neben der Wellenlängenkalibrierung kann anhand der Referenzmessung eine Intensitätskalibrierung durchgeführt werden. Dadurch wird das Absorptionsspektrum ausschließlich durch das Absorptionsverhalten der Probe, bzw. der Atmosphäre zwischen optischer Vorrichtung und Probe bestimmt.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die Kalibrationsdaten aus Messungen von Referenzsignalen und Messsignalen mit unterschiedlichen Filtern am Ausgang des Lasers bestimmt werden. Voraussetzung für eine Intensitätskalibrierung ist, dass die Detektoren einmal in Bezug aufeinander kalibriert werden und damit die Transferfunktion bekannt ist. Hierzu können ND-Filter mit unterschiedlichen Abschwächungsgraden in den Strahlengang unmittelbar nach dem Laserausgang eingebracht und die Spektren in beiden Kanälen als Referenzsignal und Messsignal gemessen und gegen den jeweiligen ND-Filterwert aufgetragen werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die zeitabhängigen Messsignale und die zeitabhängigen Triggerausgangssignale zeitsynchron erfasst werden. Aufgrund der geringen Anzahl an benötigten ADCs kann die Datenerfassung zeitsynchron durchgeführt werden, da auf Multiplexing verschiedener Kanäle verzichtet werden kann, die für solche zeitkritischen Anwendungen wenig geeignet sind.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine zeitsynchrone Wellenlängenkalibrierung und/oder Intensitätskalibrierung der zeitabhängigen Messsignale durchgeführt werden. Vorteilhaft kann so mit einer minimal möglichen Anzahl an Datenerfassungskanälen und Detektoren simultan/zeitsynchron eine Wellenlängenkalibrierung und Intensitätskalibrierung durchgeführt und ein Messsignal aufgenommen werden.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 einen schematischen Aufbau einer optischen Vorrichtung zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren einer Probe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Triggereinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 Triggersignale eines Lasers einer optischen Vorrichtung nach 1;
4 Triggerausgangssignale einer Triggereinheit über mehrere Wellenlängenscans nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 einen Ausschnitt eines Wellenlängenscans der Triggerausgangssignale nach 4;
6 einen Prozessablauf bei der Datenauswertung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren mit einer optischen Vorrichtung;
7 einen Intensitätsverlauf eines einzelnen Wellenlängenscans mit den zweiten Triggersignalen nach dem Trennen der aufeinanderfolgenden Wellenlängenscans mittels der ersten Triggersignale;
8 einen Intensitätsverlauf eines einzelnen Wellenlängenscans eines Referenzsignals nach erfolgter Zuordnung der Wellenlängen mit den zweiten Triggersignalen;
9 ein Spektrum eines Wellenlängenscans nach einer Wellenlängenkalibrierung;
10 Spektren von Messsignalen, aufgenommen mit unterschiedlichen Filterkombinationen zur Intensitätskalibrierung;
11 eine 3D-Darstellung der Spektren nach 10;
12 Kalibrierungskurven für unterschiedliche Wellenlängen nach 10;
13 ein normiertes Absorptionsspektrum des Spektrums nach 9; und
14 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren mit einer optischen Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
1 zeigt einen schematischen Aufbau einer optischen Vorrichtung 100 zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren einer Probe 30 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die optische Vorrichtung 100 umfasst einen bezüglich seiner ausgesandten Wellenlänge durchstimmbaren Laser 10, insbesondere einen Quantenkaskadenlaser, welcher zum wiederholten Einstrahlen von Laserlicht 16 als Wellenlängenscan über einen definierten Wellenlängenbereich als Wellenlängenscan auf die Probe 30 ausgebildet ist.
Weiter umfasst die optische Vorrichtung 100 einen Referenzdetektor 24 in einem Referenzstrahlengang 18, in dem ein Teil des ausgesendeten Laserlichts 16 über einen teildurchlässigen Spiegel 22 ausgekoppelt und von dem Referenzdetektor 24 empfangen und in ein Referenzsignal 28 umgewandelt wird.
Die optische Vorrichtung 100 umfasst weiter einen Signaldetektor 26, der an der Probe 30 gestreutes Laserlicht 20 empfängt und in ein Messsignal 32 umwandelt. Das Laserlicht 16 wird von dem Laser 10 auf die Probe 30 gesendet. Das gestreute Laserlicht 20 wird beispielsweise über einen fokussierenden Spiegel 23 auf den Signaldetektor 26 fokussiert. Der Spiegel 23 kann auch als Teleskop oder als Linseneinheit ausgebildet sein. Der Signaldetektor 26 wandelt das empfangene Laserlicht 20 in ein Messsignal 32 um.
Weiter umfasst die optische Vorrichtung 100 eine Triggereinheit 40 mit wenigstens einem Eingang 42, 44 für zwei Triggersignale 12, 14, wenigstens einem Eingang 46 für das Referenzsignal 28 sowie wenigstens einem Ausgang 48 für ein Triggerausgangssignal 58.
Die optische Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Datenerfassungseinheit 60, die ausgebildet ist, ein Triggerausgangssignal 58 und das Messsignal 32, insbesondere zeitsynchron zu erfassen.
Der Laser 10 gibt wenigstens ein erstes Triggersignal 12 und ein zweites Triggersignal 14 aus. Das erste Triggersignal 12 ist mit dem ausgesendeten Wellenlängenscan synchronisiert und das zweite Triggersignal 14 weist ein Raster von über den definierten Wellenlängenbereich des Wellenlängenscans in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen 38 auf. So ist die jedem Abtastpuls 38 entsprechende Wellenlänge bekannt.
In 2 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Triggereinheit 40 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung abgebildet. Eine solche Triggereinheit 40 ist vorzugsweise in einer optischen Vorrichtung 100 nach 1 eingesetzt.
Die Triggereinheit 40 dient zur Verarbeitung wenigstens des ersten Triggersignals 12, des zweiten Triggersignals 14 und des Referenzsignals 28 des durchstimmbaren Lasers 10. Die Triggereinheit 40 weist einen Eingang 42 für das erste Triggersignal 12, einen Eingang 44 für das zweite Triggersignal 14 und einen Eingang 46 für das Referenzsignal 28, sowie einen Ausgang 48 für ein Triggerausgangssignal 58 auf.
Die Triggereinheit 40 weist ferner einen Addierer 54 auf, der ausgebildet ist, die Triggersignale 12, 14 zu addieren, sowie einen Mischer 56, der ausgebildet ist, die Triggersignale 12, 14 mit dem Referenzsignal 28 zu dem Triggerausgangssignal 58 zu mischen. Der Mischer 56 kann bevorzugt als Bias-T-Mischer ausgebildet sein, während der Addierer 54 bevorzugt als Analog-Addierer ausgebildet sein kann.
Ferner weist die Triggereinheit 40 Pegelanpassungskomponenten 50, 52 auf, die ausgebildet sind, einen Pegel des ersten und zweiten Triggersignals 12, 14 auf einen Pegel des Referenzsignals 28 anzupassen.
Der Laser 10 kann zusätzlich zur Ausgabe eines dritten Triggersignals 11 ausgebildet sein, welches eine Richtung der Wellenlängenänderung beim Durchstimmen des Lasers 10 angibt. Für diesen Fall kann die Triggereinheit 40 einen weiteren Eingang zur Erfassung des dritten Triggersignals 11 aufweisen, mit dem die Triggereinheit 40 die Richtung der Wellenlängenänderung des Wellenlängenscans des Laserlichts 16 erfasst. Damit können bidirektionale Wellenlängenscans des Laserlichts 16 verarbeitet werden.
Mittels der Triggereinheit 40 ist es möglich, eine zeitsynchrone Wellenlängenkalibrierung und/oder zeitsynchrone Intensitätskalibrierung der Wellenlängenbereiche der zeitabhängigen Messsignale 32 durchzuführen.
In 3 sind digitale Triggersignale 11, 12, 14 des Lasers 10 der optischen Vorrichtung 100 in einer zeitlichen Abfolge 80 dargestellt.
Der Scantrigger als erstes Triggersignal 12 ist mit dem ausgesendeten Wellenlängenbereich dergestalt synchronisiert, dass der Scantrigger einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt. Der Scantrigger gibt an, dass der Laser 10 aktiv scannt und gleichzeitig Laserlicht emittiert. Aktiv scannen bedeutet, dass die Wellenlänge des Lasers 10 von einem Startwert bis zu einem Endwert verändert wird, insbesondere kontinuierlich oder schrittweise verändert wird. Damit gibt der Scantrigger an, ob gerade ein Lasermodul aktiv ist. Beispielsweise beim Anfahren des Lasers 10 oder beim Wechsel eines Lasermoduls weist der Scantrigger ein elektrisches LOW-Signal auf, während beim Durchlaufen eines Lasermoduls der Scantrigger ein elektrisches HIGH-Signal aufweist. Ein LOW-Signal entspricht beispielsweise 0 V und ein HIGH-Signal beispielsweise 2 V. Dadurch können später die Signale der einzelnen Lasermodule voneinander separiert werden Der Scantrigger 12 gibt so beispielsweise an, dass der Laser 10 die gewünschte Wellenlängenposition angefahren hat und Laserlicht emittiert. Das erste Triggersignal 12 signalisiert dies durch die Pulse 36.
Der Wellenlängentrigger als zweites Triggersignal 14 weist ein Raster von über den definierten Wellenlängenbereich des Wellenlängenscans in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen 38 auf, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur einer bezeichnet ist, sodass die jedem Abtastpuls 38 entsprechende Wellenlänge bekannt ist. Je nach Einstellung können einzelne digitale Pulse 38 innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs und Wellenlängenintervalls ausgegeben werden.
Mittels eines Scan-Richtungstriggersignals als drittem Triggersignal 11 kann die Richtung der Wellenlängenänderung der Wellenlängenscans erfasst und bei der Auswertung der Referenzsignale 28 und Messsignale 32 berücksichtigt werden. Das dritte Triggersignal 11 kann beispielsweise hoch (2 V) sein, wenn der Wellenlängenscan von niedrigen zu hohen Wellenlängen erfolgt, und niedrig (0 V) sein, wenn der Wellenlängenscan in umgekehrte Richtung erfolgt. Wenn unidirektional gescannt wird und damit die Scanrichtung während der Messung nicht geändert wird, ist es ausreichend, für die Auswertung der Messdaten die ersten beiden Triggersignale 12, 14, nämlich den Scantrigger und den Wellenlängentrigger zu verwenden. Die Pulse 34 des dritten Triggersignals 11 zeigen jeweils eine Richtungsänderung des Scans an.
Die Signalpegel der beiden digitalen Triggersignale 12, 14 (beispielsweise 0V und 2V) des Lasers 10, beispielsweise des Scantriggers 12 und des Wellenlängentriggers 14, können in der Triggereinheit 40 zunächst optimal auf die Messkonfiguration angepasst werden. Je nach Pegel des Referenzsignals 28 werden beide normalerweise abgeschwächt (Widerstandsschaltung), können bei Bedarf aber auch verstärkt (Verstärkerschaltung) werden. Dadurch kann gewährleistet werden, dass trotz ursprünglich unterschiedlicher Signalpegel zwischen den drei Kanälen 12, 14, 28 ein Erkennen aller Einzelsignale auf dem Referenzsignal 28 und dem Messsignal 32 möglich ist.
Die beiden Triggersignale 12, 14 werden von der Triggereinheit 40 erfasst und nach einer optionalen Pegelanpassung analog-elektronisch addiert.
Im nächsten Schritt erfolgt die Mischung mit dem Referenzsignal 28 des Referenz-Detektors 24. Mittels eines sogenannten Bias-T-Mischers kann das langsam veränderliche addierte Triggersignal 12, 14 mit dem hochfrequenten und damit schnell veränderlichen Signal aus dem Referenzdetektor 24 kombiniert werden.
Das so erzeugte kombinierte Triggerausgangssignal 58 wird dann in der Datenerfassung parallel zum Messsignal 32 von der Probe aufgenommen.
Mit den so aufgenommenen Daten ist eine einfache und rasche Wellenlängenkalibrierung und auch Intensitätskalibrierung der einzelnen Messspektren in Echtzeit mit nur zwei Datenerfassungskanälen, nämlich den Messsignalen 32 und den Referenzsignalen 28 möglich.
Der resultierende Intensitätsverlauf des Referenzspektrums unter Verwendung des Triggermoduls ist in 4 als Triggerausgangssignale 58 der Triggereinheit 40 über mehrere Wellenlängenscans dargestellt. Der Intensitätsverlauf ist als Spannungswert 82 in Form mehrerer aufeinanderfolgender Wellenlängenscans als Funktion der Zeit 80 dargestellt. In 5 ist ein Ausschnitt V eines Wellenlängenscans der Triggerausgangssignale 58 in 4 erkennbar.
Die Pulse der beiden Triggersignale 12, 14 sind beispielhaft in dem Intensitätsverlauf bezeichnet. Pfeile über der Zeitskala 80 markieren die Zeitpunkte, bei denen die Datenakquisition weiterläuft, obwohl aufgrund des Lasermodulwechsels kein Laserlicht 16 emittiert wird und damit die Daten keine Information beinhalten.
Im ersten Schritt der Verarbeitung der Messdaten wird nun aus den aufgenommenen Zeittransienten ein Absorptionsspektrum berechnet, indem die durch die Triggereinheit 40 aufmodulierten Triggersignale 12, 14 softwareseitig wieder demoduliert werden.
6 zeigt einen Prozessablauf bei der Auswertung der Messdaten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Zunächst werden im Prozessschritt 72 die einzelnen Wellenlängenscans der Triggerausgangssignale 58 und der Messsignale 32 mithilfe des Scantriggers als erstem Triggerssignal 12 getrennt. Das Triggersignal 12 ist jeweils zwischen den Wellenlängenscans, beispielsweise durch eine Rückkehr des Gitters des Lasers beim Durchstimmen zur Startposition, und auch bei den Lasermodulwechseln unterbrochen. Die Zeitabschnitte, in denen der Laser 10 nicht emittiert, bzw. keine Informationen für die eigentliche Absorptionsmessung akquiriert werden, werden herausgeschnitten und nicht berücksichtigt. Aus diesem Prozessschritt 72 ergeben sich die einzelnen zeitabhängigen Messsignal-Scans 74.
Anschließend werden im Prozessschritt 76 die Zeitstempel der einzelnen Wellenlängentrigger als den zweiten Triggersignalen 14 bestimmt. Mithilfe dieser wird nun die Zeittransiente der Messsignal-Scans 74 in ein Spektrum 64 überführt, indem durch eine injektive Abbildung die bekannten Wellenlängen der Wellenlängentrigger 14 auf die Zeitstempel der Messsignale 74 projiziert werden. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Wellenlängentriggerpulsen 38 variiert, weshalb sich die Anzahl der Messpunkte zwischen unterschiedlichen Wellenlängentriggerpulsen 38 ebenfalls verändert. Durch ein geeignetes Binning-Verfahren können die Daten so angepasst werden, dass die Messpunkte auf der Wellenlängenachse 84 äquidistant sind. Das Referenzspektrum 62 ist damit kalibriert.
7 zeigt einen Intensitätsverlauf 82 eines Wellenlängenscans 74 des Referenzsignals 28 mit den zweiten Triggersignalen 14 nach dem Trennen der aufeinanderfolgenden Wellenlängenscans 74 mittels der ersten Triggersignale 12.
Anhand der Zeitstempel kann die Projektion der Wellenlängentriggerpulse 38 nicht nur mit dem Referenzsignal 28, sondern auch mit dem Messsignal 32 durchgeführt werden. Somit erhält man ein vollständig kalibriertes Absorptionsspektrum 64.
8 zeigt dazu einen Intensitätsverlauf 82 eines Wellenlängenscans 62 eines Referenzsignals 28 als Funktion der Wellenlänge 84 nach erfolgter Zuordnung der Wellenlängen mit den zweiten Triggersignalen 14.
In 9 ist ein Spektrum 64 eines Wellenlängenscans eines Messsignals 32 nach der Wellenlängenkalibrierung dargestellt.
In einem folgenden Prozessschritt 78 (siehe 6) kann neben der Wellenlängenkalibrierung anhand der Referenzmessung eine Intensitätskalibrierung durchgeführt werden, um aus dem kalibrierten Absorptionsspektrum 64 ein normiertes Absorptionsspektrum 70 zu erhalten, welches ausschließlich durch das Absorptionsverhalten der Probe 30, bzw. der Atmosphäre zwischen optischer Vorrichtung 100 und Probe 30 bestimmt wird. Veränderungen innerhalb der optischen Vorrichtung 100, wie beispielsweise Veränderungen in der Laserleistung, Nichtlinearität der Detektoren 24, 26, können mit dieser Methode kompensiert werden.
Voraussetzung hierfür ist, dass die Detektoren 24, 26 einmal in Bezug aufeinander kalibriert werden und damit die Transferfunktion bekannt ist. Hierzu können sogenannte Neutraldichte (ND) - Filter mit unterschiedlichen Abschwächungsgraden in den Strahlengang unmittelbar nach dem Laserausgang eingebracht und die Spektren in beiden Kanälen als Referenzsignal und Messsignal gemessen und gegen den jeweiligen ND-Filterwert aufgetragen werden.
10 zeigt dazu Spektren von Messsignalen 90, 92, 94, aufgenommen mit unterschiedlichen Filterkombinationen zur Intensitätskalibrierung, während in 11 eine 3D-Darstellung der Spektren 90, 92, 94 dargestellt ist.
Im oberen Teil von 10 sind Spektren von Messsignalen 32 als Funktion der Wellenlänge 84 dargestellt, während im unteren Teil Spektren von Referenzsignalen 28 dargestellt sind.
In 11 ist als dritte Dimension ein Filtertransmissionswert 96 aufgetragen. Die unterschiedlichen Filter weisen verschiedene Filtertransmissionswerte 96 auf, das Spektrum 90 ist mit einer Transmission von 100%, das Spektrum 92 mit einer Transmission von ca. 40% und das Spektrum 94 mit einer Transmission von ca.20% aufgenommen.
Durch entsprechende Interpolation kann somit für eine gemessene Signalspannung für eine beliebige Wellenlänge der Zusammenhang zur zu erwartenden elektrischen Referenzspannung in Bezug auf die einmalig durchgeführte Kalibrierungsmessung ermittelt werden. Diese kompensiert insbesondere ein nichtlineares Detektorverhalten.
12 zeigt Kalibrierungskurven 85, 86, 87, 88 für unterschiedliche Wellenlängen zwischen 7,62 nm und 10,62 nm. Dabei sind Werte für Messsignale 32 und Referenzsignale 28 als Funktion der Transmission 96 aufgetragen, sodass ein Zusammenhang zwischen Messsignalwert 32 und Referenzsignalwert 28 hergestellt werden kann.
Durch einen entsprechenden Auswertealgorithmus kann auf dieser Basis das normierte Absorptionsspektrum 70 bestimmt werden.
13 zeigt ein normiertes Absorptionsspektrum 70, bestimmt aus dem Spektrum 64 eines Wellenlängenscans eines Messsignals 32 nach 9. Aufgetragen sind Absorptionswerte 98 als Funktion der Wellenlänge 84. Da keine Probe 30 in den Strahlengang 16 eingebracht ist, sind nur Absorptionslinien der Atmosphäre zu erkennen.
In 14 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren mit einer optischen Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
In einem ersten Schritt S100 wird Laserlicht 16 eines Lasers 10 als Wellenlängenscans über einen definierten Wellenlängenbereich auf eine Probe 30 ausgesendet.
In einem zweiten Schritt S102 werden Referenzsignale 28 eines Referenzdetektors 24 und Triggersignale 12, 14 des Lasers 10 in einer Triggereinheit 40 erfasst, wobei das erste Triggersignal 12 einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt und das zweite Triggersignal 14 ein Raster von über den definierten durchstimmbaren Wellenlängenbereich in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen 38 aufweist.
Die Triggersignale 12, 14 werden im Schritt S104 in der Triggereinheit 40 addiert und mit den Referenzsignalen 28 gemischt, sowie anschließend als Triggerausgangssignale 58 ausgegeben.
In einem weiteren Schritt S106 werden Messsignale 32 eines Messdetektors 26 des von der Probe 30 gestreuten Laserlichts 20 zusammen mit Triggerausgangssignalen 58 in einer Datenerfassungseinheit 60 erfasst.
Die Schritte S100 bis S106 laufen dabei vorteilhaft praktisch parallel ab, sodass quasi-kontinuierlich Referenzsignale, Messsignale, Triggersignale aufgezeichnet werden.
Im Schritt S108 werden die zeitabhängigen Messsignale 32 der einzelnen Wellenlängenscans des Laserlichts 16 mittels eines ersten Triggersignals 12 ausgeschnitten.
Im Fall des Triggerausgangssignals 58 wird eine Demodulation des Triggerausgangssignals 58 zur Rekonstruktion des ersten Triggersignals 12 und des zweiten Triggersignals 14 sowie des Referenzsignals 28 durchgeführt.
Im nächsten Schritt S110 werden die zeitabhängigen Triggerausgangssignale 58 in ein wellenlängenabhängiges Referenzspektrum 62 mittels eines zweiten Triggersignals 14 umgewandelt.
In einem weiteren Schritt S112 werden die zeitabhängigen Messsignale 32 mittels des zweiten Triggersignals 14 in ein wellenlängenabhängiges Messspektrum 64 umgewandelt.
In Schritt S114 wird das wellenlängenabhängige Messspektrum 64 mittels des Referenzspektrums 62 zu einem normierten Messspektrum 66 norm iert.
Das Absorptionsspektrum 70 wird in Schritt S116 aus dem normierten Messspektrum 66 mittels Kalibrationsdaten 85, 86, 87, 88 des Referenzdetektors 24 und des Signaldetektors 26 ein bestimmt. Die Kalibrationsdaten 85, 86, 87, 88 können aus Messungen von Referenzsignalen 28 und Messsignalen 32 mit unterschiedlichen Filtern am Ausgang des Lasers 16 bestimmt werden.
Die zeitabhängigen Messsignale 32 und die zeitabhängigen Triggerausgangssignale 58 werden zeitsynchron erfasst. So kann eine zeitsynchrone Wellenlängenkalibrierung und/oder Intensitätskalibrierung der zeitabhängigen Messsignale 32 durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

10: Laser
12: erstes Triggersignal
11: drittes Triggersignal
14: zweites Triggersignal
16: Laserlicht
18: Referenzstrahlengang
20: gestreutes Laserlicht
22: halbdurchlässiger Spiegel
23: Spiegel
24: Referenzdetektor
26: Signaldetektor
28: Referenzsignal
30: Probe
32: Messsignal
34: Abtastsignal
36: Abtastsignal
38: Abtastsignal
40: Triggereinheit
42: Eingang
44: Eingang
46: Eingang
48: Ausgang
50: Pegelanpassungskomponente
52: Pegelanpassungskomponente
54: Addierer
56: Mischer
58: Triggerausgangssignal
60: Datenerfassungseinheit
62: Referenzspektrum
64: Messspektrum
66: normiertes Messspektrum
70: Absorptionsspektrum
72: Ausschneiden
74: Messsignal-Scan
76: Umrechnen in Wellenlänge
78: Normieren
80: Zeit
82: Spannung
84: Kalibrationsdaten
85: Kalibrationsdaten
86: Kalibrationsdaten
87: Kalibrationsdaten
88: Kalibrationsdaten
90: Spektrum mit Filter
92: Spektrum mit Filter
94: Spektrum mit Filter
96: Filter-Transmission
98: Absorption
100: Optische Vorrichtung

Claims

Optische Vorrichtung (100) zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren einer Probe (30), umfassend wenigstens - einen durchstimmbaren Laser (10), welcher zum wiederholten Einstrahlen von Laserlicht (16) als Wellenlängenscans über einen definierten Wellenlängenbereich auf die Probe (30) ausgebildet ist, - einen Referenzdetektor (24) in einem Referenzstrahlengang (18), in dem ein Teil des ausgesendeten Laserlichts (16) empfangen und in ein Referenzsignal (28) umgewandelt wird, - einen Signaldetektor (26), der an der Probe (30) gestreutes Laserlicht (20) empfängt und in ein Messsignal (32) umwandelt, - eine Triggereinheit (40) mit wenigstens einem Eingang (42, 44) für Triggersignale (12, 14), wenigstens einem Eingang (46) für das Referenzsignal (28) sowie wenigstens einem Ausgang (48) für ein Triggerausgangssignal (58), und - eine Datenerfassungseinheit (60), die ausgebildet ist, ein Triggerausgangssignal (58) und das Messsignal (32) zu erfassen, wobei der Laser (10) zur Ausgabe wenigstens eines ersten Triggersignals (12) und eines zweiten Triggersignals (14) ausgebildet ist, wobei das erste Triggersignal (12) einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt und das zweite Triggersignal (14) ein Raster von über den definierten durchstimmbaren Wellenlängenbereich in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen (38) aufweist, wobei die Triggereinheit (40) ferner einen Addierer (54) aufweist, der ausgebildet ist, die Triggersignale (12, 14) zu addieren, sowie einen Mischer (56), der ausgebildet ist, die Triggersignale (12, 14) mit dem Referenzsignal (28) zu dem Triggerausgangssignal (58) zu mischen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Triggereinheit (40) Pegelanpassungskomponenten (50, 52) aufweist, die ausgebildet sind, einen Pegel des ersten und zweiten Triggersignals (12, 14) auf einen Pegel des Referenzsignals (28) anzupassen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mischer (56) als Bias-T-Mischer ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Addierer (54) als Analog-Addierer ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (10) zur Ausgabe eines dritten Triggersignals (11) ausgebildet ist, welches eine Richtung der Wellenlängenänderung beim Durchstimmen des Lasers (10) angibt, wobei die Triggereinheit (40) einen weiteren Eingang zur Erfassung des dritten Triggersignals (11) aufweist, mit dem die Triggereinheit (40) die Richtung der Wellenlängenänderung des Wellenlängenscans des Laserlichts (16) erfasst.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (10) als Quantenkaskadenlaser ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Datenerfassungseinheit (60) ausgebildet ist, das Triggerausgangssignal (58) und das Messsignal (32) zeitsynchron zu erfassen.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zeitsynchrone Wellenlängenkalibrierung und/oder zeitsynchrone Intensitätskalibrierung der Wellenlängenbereiche der zeitabhängigen Messsignale (32) vorgesehen ist.
Triggereinheit (40) zur Verarbeitung wenigstens eines ersten Triggersignals (12), eines zweiten Triggersignals (14) und eines Referenzsignals (28) eines durchstimmbaren Lasers (10) einer optischen Vorrichtung (100) zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Eingang (42) für das erste Triggersignal (12), wenigstens einem Eingang (44) für das zweite Triggersignal (14) und einem Eingang (46) für das Referenzsignal (28), sowie wenigstens einem Ausgang (48) für ein Triggerausgangssignal (58), mit einem Addierer (54), der ausgebildet ist, die Triggersignale (12, 14) zu addieren und mit einem Mischer (56), der ausgebildet ist, die Triggersignale (12, 14) mit dem Referenzsignal (28) zu dem Triggerausgangssignal (58) zu mischen.
Triggereinheit nach Anspruch 9, mit Pegelanpassungskomponenten (50, 52), die ausgebildet sind, einen Pegel der Triggersignale (12, 14) auf einen Pegel des Referenzsignals (28) anzupassen.
Triggereinheit nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Mischer (56) als Bias-T-Mischer ausgebildet ist.
Triggereinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 11, mit einem weiteren Eingang zur Erfassung eines dritten Triggersignals (11), um die Richtung einer Wellenlängenänderung eines Wellenlängenscans des Laserlichts (16) zu erfassen.
Triggereinheit nach Anspruch 12, wobei bidirektionale Wellenlängenscans des Laserlichts (16) verarbeitet werden.
Triggereinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Addierer (56) als Analog-Addierer ausgebildet ist.
Verfahren zur Aufnahme von Infrarotabsorptionsspektren mit einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend wenigstens die Schritte (i) Aussenden von Laserlicht (16) eines Lasers (10) als Wellenlängenscan über einen definierten Wellenlängenbereich auf eine Probe (30); (ii) Erfassen von Referenzsignalen (28) eines Referenzdetektors (24), und von ersten und zweiten Triggersignalen (12, 14) des Lasers (10) in einer Triggereinheit (40), wobei das erste Triggersignal (12) einen zeitlichen Beginn und ein zeitliches Ende eines Wellenlängenscans ausgibt und das zweite Triggersignal (14) ein Raster von über den definierten durchstimmbaren Wellenlängenbereich in vorgegebenen, insbesondere gleichen, Wellenlängenabständen verteilten Abtastpulsen (38) aufweist; (iii) Addieren der Triggersignale (12, 14) in der Triggereinheit (40) und Mischen mit den Referenzsignalen (28), anschließend Ausgeben als Triggerausgangssignale (58); (iv) Erfassen von Messsignalen (32) eines Messdetektors (26) des von der Probe (30) gestreuten Laserlichts (20), und den Triggerausgangssignalen (58) in einer Datenerfassungseinheit (60); (v) Ausschneiden der zeitabhängigen Messsignale (32) der einzelnen Wellenlängenscans des Laserlichts (16) mittels eines ersten Triggersignals (12); (vi) Umwandeln des zeitabhängigen Triggerausgangssignals (58) in ein wellenlängenabhängiges Referenzspektrum (62) mittels eines zweiten Triggersignals (14); (vii) Umwandeln der zeitabhängigen Messsignale (32) in ein wellenlängenabhängiges Messspektrum (64) mittels des zweiten Triggersignals (14); (viii) Normieren des frequenzabhängigen Messspektrums (64) zu einem normierten Messspektrum (66) mittels des Referenzspektrums (62); (ix) Bestimmen eines Absorptionsspektrums (70).
Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Demodulation des Triggerausgangssignals (58) zur Rekonstruktion des ersten Triggersignals (12) und des zweiten Triggersignals (14) sowie des Referenzsignals (28) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Absorptionsspektrum (70) aus dem normierten Messspektrum (66) mittels Kalibrationsdaten (85, 86, 87, 88) des Referenzdetektors (24) und des Signaldetektors (26) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Kalibrationsdaten (85, 86, 87, 88) aus Messungen von Referenzsignalen (28) und Messsignalen (32) mit unterschiedlichen Filtern am Ausgang des Lasers (16) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die zeitabhängigen Messsignale (32) und die zeitabhängigen Triggerausgangssignale (58) zeitsynchron erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei eine zeitsynchrone Wellenlängenkalibrierung und/oder Intensitätskalibrierung der zeitabhängigen Messsignale (32) durchgeführt wird.