DE10360111B3

DE10360111B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung von Gasen oder Gasgemischen mittels Laserdiodenspektroskopie

Info

Publication number: DE10360111B3
Application number: DE10360111A
Authority: DE
Inventors: Gerrit Mäder; Wulf Dr. Grählert; Volkmar Dr. Hopfe; Harald Beese; Eckehard Hofmüller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2023-12-13
Also published as: EP1541990B1; EP1541990A1; ATE466271T1; DE502004011095D1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Physik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die Gaskonzentration in Lampenkörpern ermittelt werden kann. DOLLAR A Die Aufgabe der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Angabe einer Vorrichtung und einem Verfahren, die einfach aufgebaut und einfach handhabbar sind. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem ein Laserstrahl auf einen ersten Parabolspiegel geführt wird, von dort über den gemeinsamen Brennpunkt mit einem zweiten Parabolspiegel durch das Messobjekt zu diesem zweiten Parabolspiegel geführt und von dort wieder auf den ersten Parabolspiegel zurückgeführt werden und diese Reflexionen mehrfach durchgeführt werden. DOLLAR A Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung, bestehend aus einer Laserlichtquelle, aus zwei Parabolspiegeln mit unterschiedlichen Brennweiten, aus einem Messobjekt mit dem zu untersuchenden Gas, aus einem Messwertaufnehmer und einer Vorrichtung zur Auswertung der Messwerte.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Physik und des Messgerätebaus und betrifft ein Verfahren und ein Vorrichtung zur Untersuchung von Gasen oder Gasgemischen mittels Laserdiodenspektroskopie, mit deren Hilfe beispielsweise die Gaskonzentration in Lampenkörpern, Flaschen, Rohrleitungen oder Ampullen ermittelt werden kann.

Bekannt sind verschiedene Lösungen zur optischen Untersuchung von Gasen. Nach der DE 101 24 055 A1 ist ein derartiges Gerät bekannt, welches aus einer Lichtquelle, einem Detektor und einer Küvette besteht, wobei die Küvette mit wenigstens einem Fenster und mit mehrerem reflektierenden, sphärischen, Hohlspiegeln rotationssymmetrisch um die Mittelachse der Küvette im Inneren angeordnet, ausgestattet ist. In der Küvette befindet sich das zu untersuchende Gas. Durch das Fenster in der Küvette wird ein gebündelter Lichtstrahl so auf einen der Hohlspiegel gesandt und dass sein Reflektionsstrahl im Zentrum eines zweiten Hohlspiegels fokussiert wird. Mindestens einer der von diesem fokussierten Reflektionsstrahl auf den weiteren Hohlspiegeln reflektierten Stahle tritt durch das Fenster wieder aus und trifft dort auf einen Detektor, der ein Messsignal erzeugt.

Eine derartige Messanordnung ist relativ kompliziert aufgebaut und nicht für abgeschlossene zu untersuchende Gasräume geeignet.

Weiterhin bekannt ist ein Verfahren zur Miniaturisierung eines Polarimeters zur Analyse niedrig konzentrierter Komponenten im flüssigen Messgut auf optischer Basis sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ( DE 198 15 932 C2 ). Bei diesem Verfahren wird der optische Messstrahl mehrfach durch das Messgut geleitet, wobei bei jeder notwendigen Richtungsänderung des Strahls der Polarisationszustand sowie die Orientierung der Hauptachse erhalten bleibt. Dabei wird ein Lichtstrahl in die Kammer mit dem flüssigen Messgut geleitet, der aus der Kammer austritt, auf ein Prisma trifft, dort zuerst um 90 ° und dann um weitere 90 ° umgelenkt und wieder durch die Messkammer geleitet wird. Auf der anderen Seite der Messkammer befindet sich ebenfalls ein Prisma, welches den Lichtstrahl wiederum um insgesamt 180 ° umlenkt und wieder durch die Messkammer sendet. Durch die Messkammer laufen die Lichtstrahlen in jedem Fall parallel zueinander.

Auch hier ist der Aufbau der Anordnung relativ kompliziert, ist nur für flüssiges Messgut ausgelegt und erfordert das Messgut in der Messkammer, wobei die Messkammer mindestens gegenüber den Prismen die lineare Ausrichtung des Lichtstrahls beim Durchtritt durch die Kammerwandung gewährleistet sein muss.

Es ist weiterhin eine Vorrichtung bekannt, die den mehrfachen Durchtritt eines Lichtstrahls durch die Vorrichtung zur Beleuchtung gewährleistet (US 2002/0057432 A1).

Und eine weitere Vorrichtung zur Gasanalyse ist nach der US 4,410,271 bekannt. Danach besteht die Mehrfachreflektionszelle nach Raman aus zwei sphärischen Spiegeln, die planparallel zueinander ausgerichtet sind und unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Dabei ist das Zentrum der Spiegel auf die optische Achse der Zelle ausgerichtet. Weiterhin hat der Spiegel mit dem geringeren Krümmungsradius im Zentrum einen Durchgang, hinter dem sich ein Dektektor befindet.

Zwischen den Spiegeln befindet sich das Gas und es wird zwischen den Spiegeln in einem Winkel von 90 ° zur optischen Achse der Spiegel ein Laserstrahl durch das Gas geleitet. Die entstehende fluoriszierende Strahlung wird durch zahlreiche Reflexionen in den Spiegeln gesammelt und durch die Öffnung in dem einen Spiegel auf den Detektor geleitet.

Auch hier ist von Nachteil, dass die Anordnung sehr aufwendig und genau justiert sein muss und weiterhin abgeschlossene Gasvolumina nicht untersucht werden können.

Weiterhin bekannt ist aus WO 00/03227 eine In-line-Zelle für die Absorptionsspektroskopie. Dies Zelle besteht aus einer Probenregion, aus einem Lichteintritts- und -austrittsbereich, die gleiche oder verschiedene Bereiche sein können, und in denen ein Lichttransmissionsfenster vorhanden ist, aus einem Spiegel und einen Heizer, der das Lichttransmissionsfenster erwärmt.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass das zu untersuchende Gas in direktem Kontakt mit dem Lichttransmissionsfenster steht, dass überhaupt derartige Lichttransmissionsfenster verwendet werden müssen und dass nur relativ große Probemengen an Gas untersucht werden können.

Die Aufgabe der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Angabe einer Vorrichtung zur Ermittlung der Konzentration von Gasen, die einfach aufgebaut ist und deren Elemente nicht in direkten Kontakt mit den zu untersuchenden Gasen oder Gasgemischen im Messobjekt treten und weiterhin in einem Verfahren, das einfach handhabbar ist.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Untersuchung von Gasen oder Gasgemischen mittels Laserdiodenspektroskopie werden ein oder mehrere Laserstrahlen auf einen mindestens ersten Parabolspiegel geführt, von dort über den gemeinsamen Brennpunkt mit einem mindestens zweiten Parabolspiegel durch das Messobjekt zu diesem mindestens zweiten Parabolspiegel und von dort wieder auf den mindestens ersten Parabolspiegel zurückgeführt. Dabei werden diese Reflexionen zur Realisierung eines langen optischen Weges durch das Gas oder Gasgemisch mehrfach durchgeführt, bis der oder die reflektierten Laserstrahlen aus dem Bereich zwischen den beiden Parabolspiegeln heraus zu einer Vorrichtung mindestens zur Messung des oder der mehrfach reflektierten Laserstrahlen geführt werden, wobei die Messwerte anschließend ausgewertet werden. Dabei befindet sich in dem Messobjekt das zu untersuchende Gas oder Gasgemisch, wobei der oder die Strahlen ausschließlich durch das zu untersuchende Gas oder Gasgemisch geführt werden und der Brennpunkt der mindestens zwei Parabolspiegel wird innerhalb des Messobjektes und des zu untersuchenden Gases oder Gasgemisches angeordnet.

Vorteilhafterweise werden ein oder mehrere Laserstrahlen mit einer schmalen Bandbreite der Frequenz eingesetzt.

Ebenfalls vorteilhafterweise wird ein möglichst langer optischer Weg des oder der reflektierten Laserstrahlen durch das Gas oder Gasgemisch eingestellt.

Weiterhin vorteilhafterweise werden der oder die aus der Vorrichtung austretenden Laserstrahlen in ein Spektrometer geführt, in dem der Laserstrahl gemessen und die Messwerte zur Auswertung weitergeleitet werden.

Es ist auch vorteilhaft, wenn ein möglichst rechtwinkliges Auftreffen des oder der Laserstrahlen auf die Oberflächen des Messobjektes realisiert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung von Gasen oder Gasgemischen mittels Laserdiodenspektroskopie besteht aus einer Laserlichtquelle, aus mindestens zwei Parabolspiegeln mit unterschiedlichen Brennweiten, aus einem mindestens im Bereich des Strahldurchganges nichteckigen Messobjekt zur Realisierung eines möglichst rechtwinkligen Auftreffens des oder der Laserstrahlen auf die Oberflächen des Messobjektes, in dem sich das zu untersuchende Gas oder Gasgemisch befindet, aus mindestens einem Messwertaufnehmer und einer Vorrichtung zur Auswertung der Messwerte, wobei die mindestens zwei Parabolspiegel so angeordnet sind, dass sie einen gemeinsamen Brennpunkt aufweisen und das Messobjekt aus einem für Laserlicht transparenten Material besteht.

Vorteilhafterweise weisen der oder die Laserstrahlen aus der Laserlichtquelle eine schmale Bandbreite der Frequenz auf.

Ebenfalls vorteilhafterweise sind der oder die Laserstrahlen aus einem Frequenzbereich zwischen 0,6 μm und 2,5 μm ausgewählt.

Weiterhin vorteilhafterweise ist die Laserlichtquelle eine Laserdiode.

Von Vorteil ist auch, wenn mindestens der Reflexionsbereich der Parabolspiegel aus Kupfer oder Gold besteht oder damit beschichtet ist.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Parabolspiegel zur Einkopplung des oder der Laserstrahlen an einem Ende länger ausgebildet sind und/oder eine oder mehrere Durchbohrungen aufweisen, wobei vorteilhafterweise die Einkopplung des oder der Laserstrahlen mittels Durchbohrungen im äußeren Parabolspiegelbereich oder nahe dem Messobjektbereich realisiert ist.

Und auch von Vorteil ist es, wenn der Parabolspiegel mit der größeren Brennweite an einem Ende länger ausgebildet ist oder der Parabolspiegel mit der größeren Brennweite die Durchbohrungen) im inneren Spiegelbereich nahe dem Messobjektbereich aufweist.

Weiterhin von Vorteil ist es, wenn der Parabolspiegel mit der kleineren Brennweite die Durchbohrungen) im äußeren Bereich aufweist.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Abweichung der Brennweiten der mindestens zwei Parabolspiegel im Bereich von 0,1 bis 50 mm liegt.

Es ist auch vorteilhaft, wenn die Auslenkung des oder der Laserstrahlen aus dem Bereich zwischen den Parabolspiegeln durch einen oder mehrere weitere Spiegel oder durch ein oder mehrere Löcher im äußeren Bereich der Parabolspiegel oder im Bereich nahe des Messobjektes realisiert ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, wenn das Messobjekt aus Glas oder Kunststoff besteht, das Messobjekt von einem Gas oder Gasgemisch durchströmt ist oder ein abgeschlossenes Gasvolumen enthält und/oder das Messobjekt einen runden, ovalen, elipsoiden oder unregelmäßig gekrümmten Querschnitt mindestens im Bereich des Strahldurchganges aufweist, wobei ein möglichst rechtwinkliges Auftreffen des oder der Laserstrahlen auf die Messobjektoberfläche realisiert ist.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Brennpunkt der mindestens zwei Parabolspiegel innerhalb des Gases oder Gasgemisches im Messobjekt angeordnet ist.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Messwertaufnehmer ein Spektrometer ist.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten Ergebnisse werden insbesondere dadurch erhalten und sind reproduzierbar, dass der bei einem einmaligen Lichtdurchgang des oder der Laserstrahlen durch das Messobjekt kurze optische Weg durch den nunmehrigen Mehrfachdurchgang zu einem vergleichsweise großen optischen Weg verlängert wird. Dadurch müssen auch keine sehr hohen Anforderungen an die Qualität und Ausführung der Vorrichtung und seiner Komponenten gestellt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung können Untersuchungen an Gasen oder Gasgemischen durchgeführt und insbesondere die Konzentration eines oder mehrerer berührungslos und nichtinvasiv ermittelt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung können laufende Prozesse bezüglich einer Gaskonzentration überwacht werden. Das Verfahren und die Vorrichtung sind beispielsweise bei der Qualitätskontrolle von Halogen- oder anderen gasgefüllten Lampen mit Erfolg einsetzbar. Dabei kann in Abhängigkeit des Einsatzes des jeweiligen Laserlichtes mit einem schmalen Frequenzbereich die Konzentration des jeweils zu untersuchenden Gases oder Gasgemisches ermittelt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch vergleichsweise geringe Gaskonzentration bis in den ppm-Bereich mit relativ großer Genauigkeit ermittelt werden. Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht dabei darin, dass die Konzentrationmessungen auch bei vergleichsweise großen Toleranzbereichen in der Position, Größe und/oder Form des Messobjektes reproduzierbare Ergebnisse aufzeigen.

Ebenfalls ist mit der erfindungsgemäßen Lösung erstmals die Konzentrationsmessung von Gasen oder Gasgemischen in abgeschlossenen Messobjekten möglich. Vorteilhaft ist auch, dass in einem anderen Anwendungsfall das Gas oder Gasgemisch ausschließlich das Messobjekt durchströmt und auch hier mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht in direkten Kontakt treten muss.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist folgende.

Ein Lichtstrahl mit einer schmalen Bandbreite der Frequenz wird auf einen Parabolspiegel geführt. Dabei ist im Brennpunkt dieses und auch des gegenüberliegenden Parabolspiegels das Messobjekt angeordnet. Der Lichtstrahl wird vom ersten Parabolspiegel durch das mit Gas oder einem Gasgemisch gefüllte Messobjekt geleitet. Dabei ist zu beachten, dass im Falle von Einbauten im Messobjekt, diese dann nicht im Strahlengang liegen dürfen. Weiterhin muss sich der Brennpunkt der mindestens beiden Parabolspiegel im Inneren des Messobjektes im Bereich des Gases oder Gasgemisches befinden. Der Lichtstrahl trifft dann auf den gegenüberliegenden Parabolspiegel und wird auf den ersten Parabolspiegel zurück geführt. Diese Reflexionen zwischen den Spiegeln werden so oft wie möglich realisiert und enden erst dann, wenn der Lichtstahl ausgelenkt wird oder außerhalb des Bereiches der Parabolspiegel liegt und zu einem Messwertaufnehmer geführt wird. Dabei ist weiterhin zu beachten, dass je geringer die Unterschiede in den Brennweiten der Parabolspiegel sind, um so länger der optische Weg des Lichtstrahls zwischen den Parabolspiegeln wird. Je länger der realisierte optische Weg ist, um so genauer ist die Konzentration ermittelbar bzw. um so geringere Konzentrationen sind nachweisbar. Zu berücksichtigen ist dabei aber auch, dass der Abstand der reflektierten Lichtstrahlen zueinander mindestens so groß sein muss, dass die Auskopplung des Lichtstrahls aus dem Bereich zwischen den Parabolspiegeln noch möglich ist.

Der Lichtstrahl wird nach der Auskopplung zu einem Messwertaufnehmer, beispielsweise einem Spektrometer geführt, in dem die Abschwächung der Laserstrahlintensität gemessen wird und daraus – unter Verwendung der tatsächlich verwendeten optischen Schichtdicke – die Konzentration berechnet wird.

Die Einkopplung des oder der Laserstrahlen kann einerseits durch Durchbohrungen in den Parabolspiegeln erfolgen oder durch Verlängerungen einer der Parabolspiegel an einer Seite, oder auch aus Kombinationen beider Varianten.

Dabei können die Durchbohrungen im äußeren Parabolspiegelbereich oder nahe dem Bereich des Messobjektes realisiert sein.

Im Falle der Anordnung der Einkopplung am äußeren Ende muss der Parabolspiegel mit der größeren Brennweite an einem Ende länger ausgebildet sein oder die Durchbohrungen) müssen im äußeren Spiegelbereich des Parabolspiegels mit der geringeren Brennweite vorhanden sein. Durch diese Einkopplung wird das erste Auftreffen des oder der Laserstrahlen auf den Parabolspiegel mit der größeren Brennweite gesichert und damit eine schrittweise Ablenkung des oder der Laserstrahlen zum Brennpunktbereich hin erreicht.

Im Falle der Anordnung der Einkopplung im Bereich nahe dem Bereich des Messobjektes muss dass Auftreffen des oder der Laserstrahlen auf den Parabolspiegel mit der kleineren Brennweite realisiert werden und daher weist der Parabolspiegel mit der größeren Brennweite Durchbohrungen auf. Damit wird eine schrittweise Ablenkung des oder der Laserstrahlen zum äußeren Bereich der Parabolspiegel hin erreicht.

Die Auskopplung des oder der Laserstrahlen nach der mehrfachen Reflexion erfolgt vorteilhafterweise durch einen oder mehrere weitere Spiegel, der oder die in den Strahlengang des oder der Laserstrahlen angeordnet werden und den oder die Laserstrahlen aus der Vorrichtung herauslenken. Ebenfalls ist es möglich, die Auskopplung durch ein oder mehrere Löcher in einem der Parabolspiegel oder durch Verlassen des Spiegelbereiches zu realisieren.

Vorteilhaft ist die Einkopplung eines Laserstrahls im Bereich des Messobjektes, wobei der Laserstrahl durch ein Loch im Parabolspiegel mit der größeren Brennweite auf den Parabolspiegel mit der geringeren Brennweite geleitet wird, von dort über das Messobjekt auf den Parabolspiegel mit der größeren Brennweite und von diesem direkt wieder auf den Parabolspiegel mit der geringeren Brennweite geleitet wird. Dann erfolgt die Weiterleitung des Laserstrahles wieder durch das Messobjekt auf den Parabolspiegel mit der größeren Brennweite und von dort direkt wieder auf den Parabolspiegel mit der geringeren Brennweite. Diese Reflexionen werden mehrfach durchgeführt, wobei der Abstand der parallelen Laserstrahlen zwischen den beiden Parabolspiegeln ständig zunimmt. Abschließend erfolgt die Auskopplung, die durch Löcher einem von beiden Parabolspiegeln oder durch die Verlängerung eines der beiden Parabolspiegel realisiert wird. Für die Auskopplung ist es prinzipiell unerheblich, von welchem der beiden Spiegel aus die Auskopplung erfolgt.

Bezüglich der Anordnung und Anzahl der Parabolspiegel ist auch eine dreidimensionale Messung möglich. Dazu werden mehrere Parabolspiegel so angeordnet, dass der Lichtstrahl im dreidimensionalen Raum immer wieder durch das Messobjekt geführt wird, wodurch eine weitere Verlängerung des optischen Weges erreichbar ist.

Hinsichtlich des Messobjektes können alle Materialien eingesetzt werden, die in dem eingesetzten Frequenzbereich des oder der Laserstrahlen für diese optisch transparent sind. Dies sind in erster Linie Gläser und Kunststoffe.

Die Anforderungen an die Form des Messobjektes sind dabei vergleichsweise gering. Gewährleistet sein muss jedoch, dass keine Ecken und Kanten am Messobjekt im Bereich des Strahldurchgangs vorhanden sind, da es sonst zu einer Totalreflexion kommt, die zum Abbruch des Verfahrens führen würde. Abweichungen von einer runden Form des Querschnitts des Messobjektes im Bereich des Strahldurchganges sind möglich, dass heißt, ovale und elliptische und unregelmäßige runde Formen sind einsetzbar, wobei ein möglichst rechtwinkliges Auftreffen des oder der Laserstrahlen auf die Oberfläche des Messobjektes realisiert sein sollte.

Auch hinsichtlich der Positionierung des Messobjektes im Bereich des Strahlendurchganges sind Toleranzen möglich. So muss die Länge des Strahldurchgangs durch das Messobjekt gegenüber der Länge des Strahldurchganges durch ein anderes Messobjekt nicht genau gleich sein, um reproduzierbare Untersuchungsergebnisse zu erhalten, da die unterschiedlichen Weglängen in die Auswertung der Ergebnisse Eingang finden. Dies ist besonders wichtig, um die vorliegende Lösung beispielsweise in einem Qualitätsprüfungsprozess an einem Laufband einzusetzen. Die Messobjekte, beispielsweise Halogenlampen, sind auf dem Laufband prinzipiell positioniert und könnten den Strahlbereich beispielsweise mit einem kurzen Halt im Brennpunkt durchlaufen. Dabei kann die genaue Position der einzelnen Halogenlampen in allen drei Raumrichtungen beispielsweise durch leichte Neigung oder durch einen tieferen Sitz auf dem Band unterschiedlich sein. Dies hat im Wesentlichen keine Auswirkungen auf das Messergebniss.

Einsetzbar ist die erfindungsgemäße Lösung in zahlreichen Industriezweigen, in denen gasdurchflossene oder gasgefüllte Körper eine Rolle spielen, wie beispielsweise die chemische Industrie, die Bio-Pharmaindustrie, die Halbleiterindustrie und die Nahrungs- und Genussmittelindustrie. Die gasdurchflossenen oder gasgefüllten Körper können dabei Flaschen, Ampullen, Lampen oder Rohrleitungen sein.

Im Weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigt 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Strahlengang bei Einkopplung im äußeren Bereich und
2 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Strahlengang bei Einkopplung im Messobjektbereich
Zwei parabolische Kupferparabolspiegel von 230 mm Länge sind mit ihren konkaven Bereichen zueinandergewandt angeordnet. Der linke Parabolspiegel weist dabei eine Brennweite von 75 mm und der rechte Parabolspiegel eine Brennweite von 78,5 mm auf. Im linken Parabolspiegel ist in der Strahlebene 111,5 mm außerhalb des Brennpunktbereiches ein Loch vorhanden, durch welches der Laserstrahl eingekoppelt wird.
Im Brennpunkt beider Parabolspiegel ist ein Quarzglasrohr angeordnet. Das Quarzglasrohr (Wanddicke; 1 mm) weist einen nahezu runden Querschnitt mit einem Durchmesser von 15 mm auf. Die Konzentration von Ammoniak in Stickstoff im Inneren des Quarzglasrohres ist zu ermitteln.
Von einer Laserdiode hinter dem linken Parabolspiegel wird ein Laserstrahl mit einer Frequenz von 1,54 μm ausgesandt und durch das Loch im linken Parabolspiegel geleitet. Dort trifft es auf die Spiegelfläche des rechten Parabolspiegels und wird durch den Brennpunkt auf den linken Parabolspiegel geleitet. Von dort wird der Laserstrahl auf den rechten Parabolspiegel reflektiert und durch den Brennpunkt wieder auf den linken Parabolspiegel geleitet. Der Laserstrahl wird dann wieder auf den rechten Parabolspiegel reflektiert und die angeführte Verfahrensweise viermal wiederholt. Dabei werden die Abstände zwischen den parallelen Laserstrahlen zwischen den Parabolspiegeln immer kleiner bis der Laserstrahl über einen Spiegel ausgekoppelt wird und auf einen Messwertaufnehmer in Form eines Spektrometers trifft. Hier wird die durch das Gas verursachte Absorption aufgezeichnet und in ein Konzentrationswert umgerechnet. Dabei konnte eine Ammoniak-Konzentration von 100 ppm detektiert werden.

Claims

Verfahren zur Untersuchung von Gasen oder Gasgemischen mittels Laserdiodenspektroskopie, bei dem mindestens ein Laserstrahl auf einen mindestens ersten Parabolspiegel geführt wird, von dort über den gemeinsamen Brennpunkt mit einem mindestens zweiten Parabolspiegel durch das Messobjekt zu diesem mindestens zweiten Parabolspiegel geführt und von dort wieder auf den mindestens ersten Parabolspiegel zurückgeführt werden und diese Reflexionen zur Realisierung eines langen optischen Weges durch das Gas oder Gasgemisch mehrfach durchgeführt werden, bis der oder die reflektierten Laserstrahlen aus dem Bereich zwischen den beiden Parabolspiegeln heraus zu einer Vorrichtung mindestens zur Messung des oder der mehrfach reflektierten Laserstrahlen geführt werden, wobei die Messwerte anschließend ausgewertet werden, und wobei sich in dem Messobjekt das zu untersuchende Gas oder Gasgemisch befindet, wobei der oder die Strahlen ausschließlich durch das zu untersuchende Gas oder Gasgemisch geführt werden und der Brennpunkt der mindestens zwei Parabolspiegel innerhalb des Messobjektes und des zu untersuchenden Gases oder Gasgemisches angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Laserstrahl mit einer schmalen Bandbreite der Frequenz eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein möglichst langer optischer Weg des oder der reflektierten Laserstrahlen durch das Gas oder Gasgemisch eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der oder die aus der Vorrichtung austretenden Laserstrahlen in ein Spektrometer geführt werden, in dem der oder die Laserstrahlen gemessen und die Messwerte zur Auswertung weitergeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein möglichst rechtwinkliges Auftreffen des oder der Laserstrahlen auf die Oberflächen des Messobjektes realisiert wird.
Vorrichtung zur Untersuchung von Gasen oder Gasgemischen mittels Laserdiodenspektroskopie, bestehend aus einer Laserlichtquelle, aus mindestens zwei Parabolspiegeln mit unterschiedlichen Brennweiten, aus einem mindestens im Bereich des Strahldurchganges nichteckigen Messobjekt zur Realisierung eines möglichst rechtwinkligen Auftreffens des oder der Laserstrahlen auf die Oberflächen des Messobjektes, in dem sich das zu untersuchende Gas oder Gasgemisch befindet, wobei der Brennpunkt der mindestens zwei Parabolspiegel innerhalb des Gases oder Gasgemisches im Messobjekt angeordnet ist, aus mindestens einem Messwertaufnehmer und einer Vorrichtung zur Auswertung der Messwerte, wobei die mindestens zwei Parabolspiegel so angeordnet sind, dass sie einen gemeinsamen Brennpunkt aufweisen und das Messobjekt aus einem für Laserlicht transparenten Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der oder die Laserstrahlen aus der Laserlichtquelle eine schmale Bandbreite der Frequenz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der oder die Laserstrahlen aus einem Frequenzbereich zwischen 0,6 μm und 2,5 μm ausgewählt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Laserlichtquelle eine Laserdiode ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der mindestens der Reflexionsbereich der Parabolspiegel aus Kupfer oder Gold besteht oder damit beschichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem die Parabolspiegel zur Einkopplung des oder der Laserstrahlen an einem Ende länger ausgebildet sind und/oder eine oder mehrere Durchbohrungen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei dem die Einkopplung des oder der Laserstrahlen mittels Durchbohrungen im äußeren Parabolspiegelbereich oder nahe dem Messobjektbereich realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei dem der Parabolspiegel mit der größeren Brennweite an einem Ende länger ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei dem der Parabolspiegel mit der größeren Brennweite die Durchbohrungen) im inneren Spiegelbereich nahe dem Messobjektbereich aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei dem der Parabolspiegel mit der kleineren Brennweite die Durchbohrungen) im äußeren Bereich aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Abweichung der Brennweiten der mindestens zwei Parabolspiegel im Bereich von 0,1 bis 50 mm liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Auslenkung des oder der Laserstrahlen aus dem Bereich zwischen den Parabolspiegeln durch minestens einen Spiegel oder durch mindestens ein Loch im äußeren Bereich der Parabolspiegel oder im Bereich nahe des Brennpunktes der Spiegel realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Messobjekt aus Glas oder Kunststoff besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Messobjekt von einem Gas oder Gasgemisch durchströmt ist oder ein abgeschlossenes Gasvolumen enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Messobjekt einen runden, ovalen, elipsoiden oder unregelmäßig gekrümmten Querschnitt mindestens im Bereich des Strahldurchganges aufweist, wobei ein möglichst rechtwinkliges Auftreffen des oder der Laserstrahlen auf die Messobjektoberfläche realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Messwertaufnehmer ein Spektrometer ist.