DE10308883A1

DE10308883A1 - Harriott-Zelle

Info

Publication number: DE10308883A1
Application number: DE2003108883
Authority: DE
Inventors: Oliver Hennig; Erhard Dr. Magori; Hans Prof. Dr. Meixner; Rainer Strzoda
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Harriott-Zelle, bestehend aus zwei auf einer gemeinsamen Achse beabstandet angeordneten und gegeneinander ausgerichteten konkaven Spiegeln (1, 2) zur Mehrfachreflexion von darin eingekoppelten Lichtstrahlen (6), wobei zur Ein- und Auskoppelung der Lichtstrahlen (6) mindestens eine zwischen den Spiegeln (1, 2) positionierte Ein- und Auskoppel-Einheit (9) vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Harriott-Zelle, in die Lichtstrahlen ein- und auszukoppeln sind. Innerhalb der Zelle tritt in der Regel eine Mehrfachreflexion auf, so dass beispielsweise eine Absorptions-Messstrecke mehrfach von den Lichtstrahlen durchlaufen werden kann. Solche Zellen werden zur Verlängerung des optischen Weges genutzt, um weglängenabhängige Effekte auf kleinem Raum zu verwirklichen.

Harriott-Zellen werden in der Absorptionsspektroskopie als Mehrwegzellen zur Verlängerung des Absorptionsweges eingesetzt. Eine Harriott-Zelle besteht im Wesentlichen aus zwei beabstandeten und gegeneinander ausgerichteten Hohlspiegeln, deren Kontur sehr unterschiedlich, beispielsweise sphärisch ausgebildet sein kann. Die Zelle wird zur Mehrfachreflexion der Lichtstrahlen verwendet. Hierzu ist eine Einkoppelung und eine Auskoppelung des Lichtes in und aus der Harriott-Zelle notwendig. Dies wird bisher durch eine Öffnung in einem der Spiegel bewerkstelligt. Somit muss zumindest eine Bohrung in einen der Spiegel eingebracht werden. Diese Öffnung erschwert die Herstellung der Harriott-Zelle. In der Regel muss die Öffnung durch ein optisches Fenster verschlossen werden. Zur Vermeidung von Interferenzen und anderen optischen Störeffekten muss dieses Fenster geeignete Eigenschaften aufweisen. Das Fenster muss beispielsweise keilförmig sein oder geeignete Antireflexionsbeschichtungen tragen. Um eine zweite Öffnung zu vermeiden, wird die Ein- und Auskoppelung in der Regel durch dasselbe Fenster vorgenommen. Die hierdurch bedingte geometrische Anordnung der gesendeten und empfangenen Strahlen erhöht die Baulänge des Systems, da sich beide Strahlengänge in der Nähe der Öffnung schneiden und Laser und Detektor nicht unendlich klein auslegbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Harriott-Zelle bereitzustellen, die mit einem einfachen und kompakten Aufbau eine zufriedenstellende Ein- und Auskoppelung der Lichtstrahlen aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.

Die Erfindung ermöglicht den Verzicht auf Öffnungen oder Fenster in einem Spiegel der Harriott-Zelle. Damit werden besondere Vereinfachungen und ein kompakter Aufbau des Systems erzielt. Eine weiterhin notwendige Ein- und Auskoppeleinheit wird nicht wie bisher außerhalb und an einem Spiegel der Harriott-Zelle angebracht, sondern in die Harriott-Zelle verlagert. Somit geschieht die Ein- und Auskoppelung der Lichtstrahlen unmittelbar innerhalb des Volumens der Harriott-Zelle. Dies kann sowohl direkt geschehen, indem eine Lichtquelle und ein Empfänger, beispielsweise ein Photodetektor, insbesondere eine Photodiode im Volumen der Harriott-Zelle untergebracht werden. Neben der direkten oder unmittelbaren Einbringung der Lichtquelle und des Detektors besteht die Möglichkeit, Lichtquelle und Detektor außerhalb der Harriott-Zelle zu platzieren und die Lichtstrahlen über im Volumen der Harriott-Zelle befindliche Spiegel, Prismen oder optische Elemente, die über Lichtquellenleiter versorgt werden, ein- bzw. auszukoppeln. Die hauptsächliche Ein- bzw. Auskoppelrichtung geht somit nicht mehr durch einen Spiegel hindurch, sondern ist so ausgerichtet, dass die Einkoppeleinheiten zwischen den Spiegeln der Harriott-Zelle positioniert sind.

Wesentliche durch die Erfindung erzielbare Vorteile bestehen im Wegfall von komplizierten Bearbeitungen der Spiegel, die eine Ein-/Auskoppelöffnung nach dem Stand der Technik aufweisen müssen. Die insgesamt erzielbare, kompaktere Bauweise öffnet neue Konstruktionsmöglichkeiten, da eine Ein- /Auskoppeleinheit direkt in der Harriott-Zelle untergebracht ist.

Im Folgenden werden anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben:
1 zeigt den Aufbau einer Harriott-Zelle mit Lichtquelle und Photodetektor innerhalb der Zelle, die radial nebeneinander angeordnet sind,
2 zeigt den herkömmlichen Aufbau einer Harriott-Zelle, bei der durch eine Öffnung das Licht ein- bzw. ausgekoppelt wird,
3 zeigt eine Harriott-Zelle mit Lichtquelle und Photodetektor innerhalb der Zelle positioniert auf einer Linie, die achsparallel dezentral verläuft,
4 zeigt einen Aufbau mit mehreren benachbarten, jeweils auf einer achsparallelen Linie miteinander positionierten Ein-/Auskoppeleinheiten,
5 zeigt einen Aufbau unter Verwendung von einem 90°-Spiegelpaar, über das Lichtstrahlen in die Harriott-Zelle ein- und auskoppelbar sind,
6 zeigt einen Aufbau unter Verwendung eines Prismas als Ein-/Auskoppeleinheit,
7 zeigt eine Anordnung unter Einsatz eines optischen Elementes, welches über Lichtwellenleiter versorgt wird,
8 zeigt eine vergrößerte Darstellung des optischen Elementes 10.
Es wird ausgegangen von einem allgemein bekannten Stand der Technik, der in 2 wiedergegeben ist. Die aus zwei beabstandeten und gegenüber liegend ausgerichteten konkaven Spiegeln 1, 2 bestehende Harriott-Zelle, dient dazu, Lichtstrahlen, die von einer Laserdiode LD ausgehen, intern mehrfach zu reflektieren, um den gesamten optischen Weg solang wie möglich zu gestalten und anschließend auf eine Photodiode PD auszukoppeln. Im Stand der Technik werden die Ein- und Auskoppelvorgänge über eine Öffnung 3 in einem der Spiegel 1, 2 der Harriott-Zelle bewirkt. Diese Konstruktion erfordert eine aufwändige Bearbeitung, da die Öffnungen 3, die optischen Fenstern entsprechen, geeignete Eigenschaften aufweisen müssen. Darüber hinaus ist das Bauvolumen einer Harriott-Zelle entsprechend 2 relativ groß.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Harriott-Zelle, in der in üblicher Weise eine Mehrfachreflexion von Lichtstrahlen 6 möglich ist. Die Spiegel 1, 2 sind in üblicher Weise ausgestaltet. Die Ein-/Auskoppeleinheit 9 ist in innerhalb des Volumens der Harriott-Zelle angeordnet. Sie besteht aus einer Laserdiode LD und einem Photodetektor PD. Laserdiode LD und Photodetektor PD strahlen bzw. empfangen in oder aus der gleichen Richtung.
3 zeigt eine Anordnung, bei der Laserdiode LD und Photodetektor PD auf einer zur Achse der Harriott-Zelle parallelen Linie benachbart positioniert sind. Abstrahlrichtung und Empfangsrichtung sind entgegengesetzt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht in einem relativ kleinen Bauvolumen, womit die Anzahl der Reflexionen erhöht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann entsprechend 4 eine Anordnung zusammengestellt werden, in der eine Ein- /Auskoppeleinheit 9 aus mehreren Paaren von Laserdiode LD und Photodetektor PD besteht. Es ist möglich, mehrere Elemente entsprechend 3 aneinander grenzend an das Volumen einer Harriott-Zelle einzubringen, um so die Zelle mit verschiede nen Wellenlängen gleichzeitig betreiben zu können. Gleichzeitig ist die Anordnung in 4 in der Lage, simultan und in einer einzigen Zelle mehrere Absorptionsspektren aufzunehmen, deren Wellelängen nicht mit einem einzigen Laserdioden/Detektorpaar erfasst werden können.
Die für optoelektrische Bauelemente jeweils notwendige Kabelverbindungen sind in den Figuren insgesamt nicht dargestellt.
Die 5 , 6 und 7 beinhalten Ein-/Auskoppeleinheiten 9, die von außen kommende Lichtstrahlen 6 derart umleiten, dass sie innerhalb der Harriott-Zelle mehrfach reflektiert werden können. Ein auszukoppelnder Lichtstrahl 6 wird ebenfalls über diese Ein-/Auskoppeleinheiten 9 geführt. Lichtquelle und Photodetektor befinden sich jeweils außerhalb der Zelle.
In 5 besteht die Ein-/Auskoppeleinheit 9 aus einem Prisma 7, welche die Lichtstrahlen 6 zur Mehrfachreflexion in der Harriott-Zelle einkoppelt und aus der entgegengesetzten Richtung einen intern mehrfach reflektierten Lichtstrahl 6 empfängt. Ähnliches gilt für die Anordnung entsprechend 6, wobei anstelle eines Prismas eine 90°-Spiegelanordnung gewählt ist. Darin sind zwei Spiegel 8 in einem 90°-Winkel gegeneinander angestellt, so dass von außen kommende Lichtstrahlen 6 achsparallel in die Harriott-Zelle hineinreflektiert werden und dass aus einer gegenüber liegenden Richtung nach einer Mehrfachreflexion wieder aus der Harriott-Zelle ausgekoppelt werden. Laserdiode LD und Photodetektor PD sind wiederum extern positioniert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist in 7 dargestellt. Die Ein-/Auskoppeleinheit 9 besteht in diesem Fall aus einem optischen Element, das an seiner vorderen Stirnseite eine Optik bzw. eine Linse 5 trägt. Rückwärtig wird das optische Element 10 mit Lichtwellenleiter 4, optisch leitenden Glasfasern versorgt. Die Lichtquellenleiter übertragen sowohl von einer externen Laserdiode LD einen Lichtstrahl 6 in das Innere einer Harriott-Zelle und leiten einen nach einer Mehrfachreflexion eintreffenden Lichtstrahl 6 ebenso wieder zurück zu einem externen Photodetektor PD.

Claims

Harriott-Zelle bestehend aus zwei auf einer gemeinsamen Achse beabstandet angeordneten und gegeneinander ausgerichteten konkaven Spiegeln (1, 2) zur Mehrfachreflexion von darin eingekoppelten Lichtstrahlen (6), wobei zur Ein- und Auskoppelung der Lichtstrahlen (6) mindestens eine zwischen den Spiegeln (1, 2) positionierte Ein- und Auskoppel-Einheit (9) vorhanden ist.
Harriott-Zelle nach Anspruch 1, bei der eine Ein- und Auskoppeleinheit (9) durch ein Paar, bestehend aus Laserdiode (LD) und Photodiode (PD) dargestellt ist.
Harriott-Zelle nach Anspruch 1, bei der eine Ein- und Auskoppeleinheit (9) durch ein außenseitig verspiegeltes Prisma (8) oder ein 90°-Spiegelpaar (7) dargestellt ist und Lichtstrahlen von außen mittelbar darüber ein- und auskoppelbar sind.
Harriott-Zelle nach Anspruch 1, bei der eine Ein- und Auskoppeleinheit (9) durch ein optisches Element (10) dargestellt ist, dem die Lichtstrahlen (6) über Lichtwellenleiter (4) zu- und abführbar sind.
Harriott-Zelle nach Anspruch 2, bei der Lichtquelle und Photodiode hintereinander auf einer normalen, zur Achse der Harriott-Zelle liegen und in die gleiche Richtung senden und empfangen.
Harriott-Zelle nach Anspruch 2, bei der Lichtquelle und Photodiode hintereinander auf einer achsparallelen Linie angeordnet sind und in entgegengesetzte Lichtquellen senden bzw. empfangen.
Harriott-Zelle nach Anspruch 6, bei der zum gleichzeitigen Betrieb der Zelle mit verschiedenen Wellenlängen mehrere Paare von Lichtquelle und Photodiode vorhanden sind.