DE10308883A1 - Harriott cell for absorption spectroscopy has light entry and exit unit with laser diode and photodiode pair between facing concave mirrors - Google Patents

Harriott cell for absorption spectroscopy has light entry and exit unit with laser diode and photodiode pair between facing concave mirrors Download PDF

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Abstract

The Harriott cell has 2 concave mirrors (1,2), positioned with their concave mirror surfaces facing one another along a common optical axis, for multiple reflection of a supplied light beam (6), with a light beam entry and exit unit (9) positioned between the concave mirrors and provided by a laser diode (LD) and photodiode (PD) pair.

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.The invention relates to a Harriott cell, into and out of the light rays. Inside the cell there is usually multiple reflection, so for example the absorption beams are traversed several times by the light beams can. Such cells are used to extend the optical path used for path length-dependent effects to realize in a small space.

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.Harriott cells are used in absorption spectroscopy as reusable cells to extend the Absorption path used. A Harriott cell essentially exists from two spaced and mutually aligned concave mirrors, whose contour is very different, for example spherical can be. The cell becomes a multiple reflection of the light rays used. This involves coupling and uncoupling the light necessary in and out of the Harriott cell. So far this is done through an opening accomplished in one of the mirrors. So at least one hole in one of the mirrors can be inserted. This opening makes production difficult the Harriott cell. As a rule, the opening must be through an optical window be closed. To avoid interference and others optical interference effects this window has suitable properties. The window has to for example, be wedge-shaped or wear suitable anti-reflective coatings. To open a second one avoidance, the coupling in and out is usually done by the same Window made. The resulting geometrical arrangement the transmitted and received beams increases the overall length of the system, since both are beam paths nearby the opening cut and laser and detector cannot be designed infinitely small are.

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.The invention has for its object a to provide simplified Harriott cell with a simple and compact structure a satisfactory coupling and decoupling which has rays of light.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.This task is solved by the combination of features of claim 1. Advantageous refinements can taken from the dependent claims become.

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.The invention makes it possible to dispense with openings or window in a mirror of the Harriott cell. This makes it special Simplifications and a compact structure of the system achieved. One continues the necessary coupling and decoupling unit will not be outside as before and attached to a mirror of the Harriott cell, but in the Harriott cell relocated. The coupling and decoupling thus takes place the rays of light immediately within the volume of the Harriott cell. This can both done directly by a light source and a receiver, for example a photodetector, in particular a photodiode in the volume of the Harriott cell be accommodated. In addition to the direct or immediate contribution the light source and the detector there is the possibility of light source and Detector outside the Harriott cell to place and the rays of light across in the volume of the Harriott cell mirrors, prisms or optical elements located above light source conductors are supplied, couple in or out. The main one The coupling or decoupling direction no longer goes through a mirror through, but is oriented so that the coupling units positioned between the mirrors of the Harriott cell.

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.Essential advantages achievable by the invention exist in the absence of complicated machining of the mirrors, which has a coupling / decoupling opening according to the state of the art. The total achievable more compact design opens new design options, there is a coupling / decoupling unit is housed directly in the Harriott cell.

Im Folgenden werden anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben:In the following, schematic, not limiting the invention Figures exemplary embodiments described:

1 zeigt den Aufbau einer Harriott-Zelle mit Lichtquelle und Photodetektor innerhalb der Zelle, die radial nebeneinander angeordnet sind, 1 shows the structure of a Harriott cell with light source and photodetector within the cell, which are arranged radially next to each other,

2 zeigt den herkömmlichen Aufbau einer Harriott-Zelle, bei der durch eine Öffnung das Licht ein- bzw. ausgekoppelt wird, 2 shows the conventional structure of a Harriott cell, in which the light is coupled in or out through an opening,

3 zeigt eine Harriott-Zelle mit Lichtquelle und Photodetektor innerhalb der Zelle positioniert auf einer Linie, die achsparallel dezentral verläuft, 3 shows a Harriott cell with light source and photodetector positioned within the cell on a line that is axially parallel, decentralized,

4 zeigt einen Aufbau mit mehreren benachbarten, jeweils auf einer achsparallelen Linie miteinander positionierten Ein-/Auskoppeleinheiten, 4 shows a structure with a plurality of adjacent coupling / decoupling units each positioned on an axis parallel line,

5 zeigt einen Aufbau unter Verwendung von einem 90°-Spiegelpaar, über das Lichtstrahlen in die Harriott-Zelle ein- und auskoppelbar sind, 5 shows a setup using a pair of 90 ° mirrors via which light rays can be coupled into and out of the Harriott cell,

6 zeigt einen Aufbau unter Verwendung eines Prismas als Ein-/Auskoppeleinheit, 6 shows a structure using a prism as a coupling / decoupling unit,

7 zeigt eine Anordnung unter Einsatz eines optischen Elementes, welches über Lichtwellenleiter versorgt wird, 7 shows an arrangement using an optical element, which is supplied via optical fibers,

8 zeigt eine vergrößerte Darstellung des optischen Elementes 10. 8th shows an enlarged view of the optical element 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.It is based on a generally known prior art, which in 2 is reproduced. The two concave mirrors, spaced apart and facing each other 1 . 2 existing Harriott cell, serves to beam light, which emanate from a laser diode LD, reflect multiple times internally in order to design the entire optical path as long as possible and then couple it out to a photodiode PD. In the prior art, the coupling and decoupling processes are via an opening 3 in one of the mirrors 1 . 2 the Harriott cell. This construction requires an elaborate machining because the openings 3 that correspond to optical windows, must have suitable properties. In addition, the construction volume of a Harriott cell is corresponding 2 relatively large.

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. 1 shows an embodiment of a Harriott cell according to the invention, in which a multiple reflection of light rays in the usual way 6 is possible. The mirror 1 . 2 are designed in the usual way. The coupling / decoupling unit 9 is located within the volume of the Harriott cell. It consists of a laser diode LD and a photodetector PD. Laser diode LD and photodetector PD emit or receive in or from the same direction.

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. 3 shows an arrangement in which the laser diode LD and photodetector PD are positioned adjacent on a line parallel to the axis of the Harriott cell. Direction of radiation and direction of reception are opposite. An advantage of this embodiment consists in a relatively small construction volume, with which the number of reflections can be increased.

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.In an advantageous embodiment, accordingly 4 an arrangement can be put together in which a coupling / decoupling unit 9 consists of several pairs of laser diode LD and photodetector PD. It is possible to have multiple items accordingly 3 adjacent to the volume of a Harriott cell to be able to operate the cell with different NEN wavelengths simultaneously. At the same time the arrangement is in 4 able to record multiple absorption spectra simultaneously and in a single cell, the wavelengths of which cannot be detected with a single pair of laser diodes / detectors.

Die für optoelektrische Bauelemente jeweils notwendige Kabelverbindungen sind in den Figuren insgesamt nicht dargestellt.The one for optoelectric components necessary cable connections are in total in the figures not shown.

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.The 5 . 6 and 7 include coupling / decoupling units 9 , the rays of light coming from outside 6 redirect in such a way that they can be reflected several times within the Harriott cell. A light beam to be coupled out 6 is also about these coupling / decoupling units 9 guided. The light source and photodetector are each outside the cell.

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.In 5 there is the coupling / decoupling unit 9 from a prism 7 which the light rays 6 for multiple reflection in the Harriott cell and an internally multiple reflected light beam from the opposite direction 6 receives. The same applies accordingly to the arrangement 6 , a 90 ° mirror arrangement being chosen instead of a prism. There are two mirrors in it 8th placed at a 90 ° angle to each other, so that light rays coming from outside 6 are reflected axially parallel into the Harriott cell and are coupled out of the opposite direction after multiple reflections from the Harriott cell. Laser diode LD and photodetector PD are in turn positioned externally.

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.Another advantageous embodiment is shown in 7 shown. The coupling / decoupling unit 9 in this case consists of an optical element that has an optic or a lens on its front face 5 wearing. To the rear is the optical element 10 with optical fiber 4 , optically conductive glass fibers. The light source conductors transmit a light beam both from an external laser diode LD 6 into the interior of a Harriott cell and guide a beam of light that arrives after multiple reflections 6 also back to an external photodetector PD.

Claims (7)

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 cell consisting of two concave mirrors that are spaced apart on a common axis and aligned with one another ( 1 . 2 ) for multiple reflection of light rays coupled into it ( 6 ), whereby for the coupling and decoupling of the light beams ( 6 ) at least one between the mirrors ( 1 . 2 ) positioned coupling and decoupling unit ( 9 ) is available. 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 cell according to claim 1, wherein a coupling and decoupling unit ( 9 ) is represented by a pair consisting of laser diode (LD) and photodiode (PD). 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 cell according to claim 1, wherein a coupling and decoupling unit ( 9 ) by a prism mirrored on the outside ( 8th ) or a pair of 90 ° mirrors ( 7 ) is shown and light rays can be coupled in and out indirectly from the outside. 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 cell according to claim 1, wherein a coupling and decoupling unit ( 9 ) by an optical element ( 10 ) is shown, the light rays ( 6 ) via optical fiber ( 4 ) can be added and removed. 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 cell according to claim 2, in the light source and photodiode in a row on a normal, to the axis of the Harriott cell lie and send and receive in the same direction. 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 cell according to claim 2, in the light source and the photodiode arranged one behind the other on an axis-parallel line and send or receive in opposite light sources. Harriott-Zelle nach Anspruch 6, bei der zum gleichzeitigen Betrieb der Zelle mit verschiedenen Wellenlängen mehrere Paare von Lichtquelle und Photodiode vorhanden sind.A Harriott cell as claimed in claim 6, in which to operate the cell simultaneously with different ones Wavelengths several pairs of light source and photodiode are present.
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