DE19750810A1

DE19750810A1 - Verfahren zur Kalibrierung abstimmbarer, insbesondere schmalbandiger Laser

Info

Publication number: DE19750810A1
Application number: DE19750810A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl Ing Koenig
Original assignee: Zarm Technik GmbH
Current assignee: Zarm Technik GmbH
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1999-05-20
Also published as: US6160825A

Description

Für die Verwertbarkeit von Meßdaten aus laserdiagnostischen Untersuchungen ist unter anderem die präzise Kenntnis der Anregungsbedingungen, also der Eigenschaften des ver wendeten Laserlichtes, bzw. eine exakte spektrale Kalibrierung Grundvoraussetzung. Bei der Verwendung der meisten verwendeten Gas-, Festkörper- oder Farbstofflaser können die Betriebsparameter (z. B. Entladungsspannung, Pulsfrequenz usw.) reproduzierbar eingestellt werden. Die tatsächlichen Eigenschaften des emittierten Laserlichtes sind jedoch stark von den jeweiligen Umgebungsbedingungen abhängig und müssen direkt durch eine spektrale Vermessung des Laserlichtes ermittelt bzw. eingestellt werden.

Von besonderer Bedeutung ist diese Kontrolle bei der Verwendung von abstimmbaren schmalbandigen Lasern hoher Leistung (z. B. Excimer-Laser), bei denen vorzugsweise für Experimente unter Verwendung der Laserinduzierter Fluoreszenzdiagnostik (LIF) die Wel lenlänge des emittierten Lichtes exakt eingestellt werden muß. Weil sich die meist mecha nisch fixierten wellenlängenbestimmenden Bauelemente im optischen Gang des Lasers be finden und stets einen Teil der Strahlungsenergie absorbieren, können sich die spektralen Eigenschaften des emittierten Laserlichtes durch den Einfluß thermischer Verformung wäh rend des Betriebes verändern. Im Sinne der Reproduzierbarkeit bzw. Verwertbarkeit der Meßergebnisse muß die Kontrolle Schmalbandigkeit bzw. Kalibrierung der Wellenlänge in der Regel sehr häufigwiederholt, und sehr präzise ausgeführt werden.

Stand der Technik der Kalibrierverfahren am Beispiel von Excimerlasern

Excimer-Laser sind gepulste Gaslaser hoher Pulsenergie, die Laserlicht überwiegend im Bereich des UV (ca. 193 nm-352 nm, je nach Wahl des Arbeitsgases) emitieren. Für das jeweilige Arbeitsgas sendet der Laser Licht mit einer spektralen Breite von etwa 1-2 nm aus, innerhalb dessen er, bei Verwendung eines optischen Resonators, einen Bereich sehr gerin ger spektraler Breite besonders verstärkt. Der Laser arbeitet dann schmalbandig und sendet typischerweise Licht einer Halbwertsbreite weniger Pikometer aus. Durch Verstellen der Bauteile in der Resonatoroptik, bei Excimer-Lasern insbesondere des holographischen Git ters, kann diese schmalbandige Laserwellenlänge kontinuierlich über den Anschwingbereich des Lasers abgestimmt werden.

Eine sehr prominente Anwendung solcher schmalbandig abstimmbarer Laser findet sich z. B. in der Fluoreszenzspektroskopie, bei der gezielt elektronische Übergänge ausgesuchter, meist kleiner Radikale oder Moleküle zum Fluoreszieren angeregt werden, und so zum empfindlichen Nachweis von kurzlebigen Zwischenprodukten genutzt werden können. Für vergleichbare Meßergebnisse müssen die Anregungsbedingungen aber identisch über die Einzelexperimente, oder zumindest vollständig bekannt sein. Die theoretisch mögliche Ein stellung der Wellenlänge direkt am zu untersuchenden Prozeß ist entweder sehr aufwendig oder sogar unmöglich, da die Interpretation der Daten zumindest eine genaue Kenntnis der Zusammensetzung bzw. der Konzentration des in der Meßzone befindlichen Mediums er fordern und die Bedingungen im Meßvolumen für die Dauer der Kalibrierung nur in sehr seltenen Fällen für die Dauer des Kalibriervorganges konstant bleiben.

Üblich sind zur Einstellung und Kontrolle der Schmalbandigkeit und eingestellter Wellen länge nach dem Stand der Technik folgende Methoden:
Einsatz eines Spektrographen mit Datenauswertung:
Das Laserlicht wird abgeschwächt in einen Spektrographen gelenkt und dort spektral auf geweitet. Die Intensität des Laserstrahles wird als Funktion der Wellenlänge dargestellt. Daraus läßt sich die eingestellte zentrale Wellenlänge und die Halbwertsbreite (Schmalbandigkeit) ermitteln. Der Nachteil des Systems sind

- Die hohen Kosten des Meßsystems
- Der Zeitaufwand (Justage und Kalibrieren des Spektrographen ähnlich empfindlich wie die des zu kalibrierenden Lasers)
- Die Meßprozedur, Auswertung der Ergebnisse und Einstellung des Lasers setzt eine ho he Qualifikation des Benutzers voraus

Etalon

Hiermit kann lediglich die Schmalbandigkeit, nicht aber die Wellenlänge des Lasers durch die Ausbildung von Interferenzstreifen optisch (Abstand der Streifen) beurteilt werden. Das System ist kostengünstig, liefert aber keine Information zur Wellenlängeneinstellung.

Referenzmessung

Die Einstellung für die gesuchte Wellenlänge wird durch die Aufnahme eines Anregungs spektrum an einem dem Meßobjekt ähnlichen Referenzobjekt selbst ermittelt. Soll bei spielsweise im Experiment die Fluoreszenz von OH-Radikalen des P2(8)- Überganges im A+Σ→XΠ Anregungsschema in einem Verbrennungsraum vermessen werden, so wird vor dem Experiment mit einer stationären Laborflamme ein Anregungsspektrum des OH-Radikals durch das Verfahren der Laserwellenlänge über den Abstimmbereich aufgenom men. Durch Vergleich mit dem in der Literatur verfügbaren Anregungsspektrum wird ma nuell der gewünschte Übergang ermittelt und eingestellt. Es wird also für den Kalibriervor gang in vielen Fällen ein vollständiger, gesonderter Versuchsaufbau benötigt. Für die ver gleichende Vermessung an ein- oder zweidimensional strukturierten Objekten (z. B. Flam men, gesuchte Spezies tritt nur in bestimmten Bereichen auf) ist ein zweidimensionaler Sen sor(intensivierte Kamera) und Bildauswertesystem erforderlich. Dazu muß in den meisten Fällen ein vollständiges, sehr kostspieliges Zweitsystem vorhanden sein, da ein rascher Um bau vom eigentlichen Experiment zum Referenzversuch in der Regel zu aufwendig oder sogar unmöglich ist. Darüberhinaus erfordert die Einstellung des Lasers wiederum die ma nuelle Aufnahme, Auswertung und Interpretation der Meßdaten und das anschließende An fahren der Laserwellenlänge. Durch die kurze, nach der Kalibrierung zur Verfügung stehen den Zeit in der die eingestellten Strahleigenschaften genau reproduzierbar sind, ergeben sich weitere Einschränkung zur Nutzung dieses Kalibrierverfahren.

Für die zuvor genannten, überwiegend in Laborumgebungen eingesetzten Laser steht bis lang kein Gerät bzw. Verfahren zur Verfügung, mit der eine Kalibrierung auf einfache Wei se automatisch oder teilautomatisch in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden kann.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in-situ Kalibrierung von abstimmbaren, insbesonde re schmalbandigen Lasern, das ein spektrales Auflösungsvermögen bis unterhalb der spek tralen Halbwertsbreite des Anregungslasers bzw. der vom Laser systemimmanent verfügba ren spektralen Auflösung. Das Verfahren ist grundsätzlich auf alle Laser, die ein oder meh rere mechanisch oder elektrisch ansteuerbare oder bewegliche Komponenten zur Verstel lung der emitierten Wellenlänge besitzen, anwendbar.

Das Verfahren basiert auf einer automatischen Aufnahme eines Fluoreszenzspektrums an einem Referenzmedium, das mindestens zwei Anregungslinien mit auswertbarer Signalstär ke im Abstimmbereich des jeweils benutzten abstimmbaren Lasers besitzt.

Durch automatischen Vergleich des aufgenommenen Referenzspektrums mit einem im Rechner gespeicherten Anregungsspektrum für das Referenzmedium, wird ein eindeutiger funktionaler Zusammenhang zwischen Laserwellenlänge und Stellposition des Wellenlän genstellers ermittelt. Durch den anschließenden Vergleich mit weiteren, aus der einschlägi gen Literatur übernommenen Fluoreszenzspektren wird z. B. das direkte, sofortige Anfahren einer gewünschten, zur Anregung des im Experiment zu vermessenden Radikals, Atoms oder Moleküls benötigten Laserwellenlänge möglich. Durch die Verwendung von Refe renzmedien insbesonderer hoher Fluoreszenzausbeute, und der Verwendung von vorzugs weise nulldimensionalen, sehr empfindlichen Detektoren (vgl. Komponente D, Blatt Verfah rensschema) an der Referenzküvette, ist ein Kennzeichen des Verfahrens, daß nur ein Teil der Laserenergie durch z. B. einen Teilspiegel in die Referenzküvette für die Kalibriermes sung eingeführt werden muß. Auf diese Weise kann die Strahlführung zum eigentlichen Meßobjekt vorzugsweise von der Kalibriermessung unbeeinflußt bleiben, und steht somit sofort nach dem Kalibriervorgang für die Durchführung der Messung zur Verfügung.

Neben der automatischen Einstellung auf in der Rechnerbibliothek gespeicherte Anregungs linien von Atomen, Radikalen und Molekülen, ist mit dem Verfahren zusätzlich ein direktes Anfahren einer numerisch eingegebenen Laserwellenlänge bzw. Wellenzahl möglich.

Eine Eigenschaft des Systems ist weiterhin, daß optional aus der automatischen Auswertung des Fluoreszenzspektrums am Referenzmedium sofort nach Abschluß des Kalibriervorgan ges Daten zu den spektralen Eigenschaft des Anregungslasers als Funktion der Laserwellen länge im Abstimmbereich ermittelt bzw. ausgegeben werden können (z. B. Halbwertsbreite, Verhältnis von schmalbandiger zu breitbandiger Laserleistung usw.).

Die Komponenten des Kalibriersystemes und deren Zusammenwirken sind auf dem Blatt Verfahrensschema dargestellt.

Ein zentraler Steuerrechner (A) greift mittels einer geeigneten Software (B) über einen Si gnalumsetzer direkt mechanisch auf das Stellglied der Wellenlängenverstellung (C) im Laser (z. B. holographisches Gitter, nichtlinearer optischer Kristall) zu. Gleichzeitig kann er über eine weitere Schnittstelle das Laserbetriebssystem (D), bzw. den Laser steuern. Bei der Ver wendung von gepulsten Lasern (z. B. Gaslaser) werden über den Steuerrechner insbesondere die Laserpulse während des Kalibrierens ausgelöst. Ein Eingang am Steuerrechner ermög licht das Einlesen des in einer Referenzküvette (E) mittels intensivierter Photonenzähler (F) (z. B. Photomultiplier, Intensivierte Kamera, Photodiode) für jede diskrete Einstellung des Wellenlängenstellers im Laser aufgenommene elektrische Signal. Die Küvette ist mit einem, dem spektralen Abstimmbereich des Lasers entsprechend ausgewählten Referenzmedium zur Anregung eines Fluoreszenzspektrums gefüllt. Nachdem das detektierte Signal zur je weiligen diskreten Wellenlängeneinstellung eingelesen ist, wird die Stelleinheit um ein oder eine wahlweise einstellbare Anzahl mechanischer Inkremente verfahren und das nächste Signal aufgenommen. Mit Hilfe einer geeigneten Software im Steuerrechner wird nach der Aufnahme des Fluoreszenzspektrums über den teilweisen oder gesamten Laserabstimmbe reiches ein funktionaler Zusammenhang zwischen Signalintensität und Position der Wellen längenstelleinheit hergestellt.

Anhand eines optional in der Software vorliegenden Spektrenkataloges wird für das ver wendete Referenzmedium die Position des Wellenlängenstellers über eine weitere Funktion der emittierten Laserwellenlänge zugeordnet. Somit kann nach der Referenzmessung jede in diesem Katalog enthaltene Anregungswellenlänge ad hoc angefahren werden.

Erläuterungen der zum Verfahren gehörigen Komponenten A. Steuerrechner

Der Steuerrechner besitzt neben seiner Funktion als Rechner die notwendigen Schnittstellen zur Ausgabe von elektrischen Steuersignalen, mindestens zum Auslösen des Anregungsla sersignals (Komponente D) und dem diskreten Ansteuern der Wellenlängenverstelleinheit (Komponente C) des Anregungslasers. Letztere ist so ausgeführt, daß einer festen Regel größe eine feste Stellgröße entspricht.

Sind weitere einstellbare wellenlängenstellende Komponenten (z. B. Oszillierendes Gitter) im Laser eingebaut, bestehen hierzu entsprechende Signalverbindungen.

Der Steuerrechner verfügt über einen Eingang zur Übernahme des Signals aus dem Photo nendetektor (Komponente F) bzw. optional einem Ausgang zum Steuern des Aufnahmesy stems. Steuer- und Signaleinlesevorgänge sowie die Speicherung und Auswertung der Da ten werden über eine spezielle Software (Komponente B) vollzogen.

B. Rechnersoftware

Die Software ermöglicht sowohl eine Bedienung des Systems über eine Benutzeroberfläche, als auch den automatischen Ablauf der Laserkalibration durch den im Programm festgeleg ten Zugriff auf die in A-F aufgeführten Komponenten. Die Software stellt durch Auswer tung der Daten insbesondere eine oder mehrere der folgenden Funktionen und Informatio nen bereit:

- Speicherung und Zuordnung der Meßdaten
- Erstellen eines funktionalen Zusammenhanges Stellgröße/Position Wellenlängensteller zu eingestellter Laserwellenlänge.
- Zuordnung dieses funktionalen Zusammenhanges zu anderen, in einem Bibliotheksver zeichnis gespeicherten Anregungsspektren.
- Direktes Anfahren von ausgesuchten Anregungswellenlängen der in der Bibliothek abge legten Anregungsspektren im gegebenen spektralen Abstimmbereich des Lasers.
- Automatische Ermittlung der Güte der Schmalbandigkeit des Anregungslasers über den spektralen Abstimmbereich und Ermittlung der Halbwertsbreite der Anregungswellen länge als Funktion der Anregungswellenlänge.

C. Wellenlängenverstelleinheit

Optisches Element im Strahlengang des Lasers zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Einstellung der Laserwellenlänge. Die Schrittweite ist vorzugsweise so gering, daß die er zielbare Änderung der resultierenden Anregungswellenlänge unterhalb der spektralen Halb wertsbreite des Anregungslaserstrahles liegt.

D. Schmalbandiger, abstimmbarer Laser

Jeder schmalbandige abstimmbare Anregungslaser, der über einen elektrischen oder mecha nischen Zugriff auf das /die wellenlängenstellende(n) Elemente zuläßt, kann mit dem hier beschriebenen Verfahren kalibriert werden.

E. Referenzküvette mit Referenzmedium

Bauteil zur Aufnahme des gasförmigen, festen oder flüssigen Referenzmediums.

Das Referenzmedium weist im Abstimmbereich des Lasers mindestens zwei Absorptionsli nien auf, die zur Anregung einer auswertbaren Emission von Fluoreszenzlicht führt und ist vorzugsweise in erheblicher Konzentration dauerhaft in der Referenzküvette lagerfähig oder durch einen einfachen Prozeß (z. B. erhitzen) für die Dauer der Kalibrierung herstellbar. Für Wellenlängen vom mittleren UV bis in den sichtbaren Bereich eignen sich hierfür beispiels weise gasförmig vorliegende kleine Moleküle deren Fluoreszenzspektren in der Literatur verfügbar-sind. (Beispiel: UV 180 nm bis ca. 260 nm, Schuman-Runge Bänder an Sauerstoff bzw. heißem Sauerstoff).

F. Photonenzähler

Geeignet ist jeder Photonenzähler, oder bildverstärkte Kameras, die im Wellenlängenbereich der durch den zu kalibrierenden Laser angeregten Fluoreszenz ein auswertbares, der Größe des Fluoreszenzsignales in bekannter Weise proportionales elektrisches Signal liefern. Der verwendete Detektor zur Aufzeichnung des Fluoreszenzsignals kann als nulldimensionaler (Photomultiplier, Photodiode), eindimensionaler (intensivierte Zeilenkamera), oder zweidi mensionaler Sensor (intensivierte Flächenkamera) ausgeführt sein. Zur Dämpfung von Störsignalen z. B. Hintergrundleuchten können spektrale Filter eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Kalibrierung von abstimmbaren, insbesondere schmalbandigen Lasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung durch eine Steuereinheit automatisch vollzo gen wird, wobei diese auf das Stellglied zur Einstellung der Laserwellenlänge am zu kali brierenden Laser gleichermaßen wie auf das elektrische Signal eines optischen Detektors, zur Aufnahme eines Fluoreszenzspektrums an einem geeigneten, in der Referenzküvette befindlichen Mediums, ganz oder teilweise im Abstimmbereich des Lasers, zugreift.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ganz oder insbesondere nur zu einem Teil die vom zu kalibrierenden Laser emittierte Strahlung zur Aufnahme eines Referenzspektrums in eine in den Ansprüchen 5-7 näher beschriebene Küvette eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf diese Weise ge wonnene Spektrum in der Steuereinheit automatisch mit einem in einer Datenbibliothek abgelegten Fluoreszenzspektrum des in der Referenzküvette befindlichen Mediums im Ab stimmbereich des Lasers verglichen wird, und dadurch automatisch einen funktionalen Zu sammenhang zwischen der Stellgröße zur Einstellung der Laserwellenlänge und der vom Laser emittierten Wellenlänge herstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, das mit dem Ergebnis des Anspruches 3 automatisch Berechnungen aus dem Vergleich mit weiteren, bereits in der Datenbibliothek abgelegten und aus der Literatur bekannten Fluoreszenzspektren durchführen kann, und ein direktes Einstellen des Lasers auf in diesen Spektren vermerkte, vom Benutzer ausgewählte Merk male (z. B. Anregungslinien) ermöglicht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, daß mit dem Ergebnis aus Anspruch 3 im Vergleich mit dem bereits in einer Datenbibliothek abgelegten Fluoreszenzspektrum des in der Referenz küvette befindlichen Mediums im Abstimmbereich des Lasers die zum Zeitpunkt der Mes sung vorliegenden spektralen Eigenschaften des Lasers, insbesondere auch als Funktion der Wellenlänge im Abstimmbereich des Lasers berechnen kann.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Bestandteil des Verfahrens benutzte Referenzküvette zur Aufnahme jedes Mediums verwendet werden kann, daß im Abstimmbereich des jeweiligen zu kalibrierenden Lasers mindestens zwei un terscheidbare Fluoreszenzanregungslinien besitzt, die auf einem in Anspruch 8 beschriebe nen Detektor ein mindestens deutlich vom Hintergrundrauschen zu unterscheidendes elek trisches oder mechanisches Signal erzeugt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die in Anspruch 6 beschriebene Referenzküvet te geeignet ist, das in Anspruch 5 beschriebene Referenzmedium mindestens für die Dauer eines vollständigen Kalibriervorganges in für die Messung ausreichender Konzentration zu bereitzustellen. Für diese Bereitstellung kann die Küvette mit Zusatzeinrichtungen, z. B. zum Heizen, Kühlen, oder dem Einstellen eines oberhalb oder unterhalb der standardatmosphäri schen Bedingungen liegenden Druckes ausgestattet sein.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei der die in Anspruch 6 und 7 beschriebene Referenz küvette einen optischen Zugang für die Einleitung der Laserstrahlung des zu kalibrierenden Lasers besitzt, der so beschaffen ist, daß er in Anspruch 8 beschriebene Weise die Bereitstel lung des in Anspruch 6 dargestellten Referenzmediums gewahrleisten kann.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die in Anspruch 5 beschriebene Küvette durch einen optischen Zugang, insbesondere auch durch die Verwendung spektraler Filter, mit einem empfindlichen optischen Detektor verbunden ist, der die Bereitstellung eines dem Fluoreszenzsignal über eine bekannte Funktion proportionalen Ausgangssignales möglich macht.
Unteranspruch zu Anspruch 5
Die Berechnung der spektralen Eigenschaften des Lasers umfaßt insbesondere die Halb wertsbreite, das Verhältnis das schmalbandigen zum breitbandigen Lasersignal sowie die Laserleistung (Pulsenergie bei gepulsten Lasern), jeweils als Funktion der Wellenlänge über den teilweisen oder gesamten Abstimmbereich des Lasers.
Unteranspruch zu Anspruch 7
Verwendung von kalten oder insbesondere heißen Sauerstoffs als Referenzmedium im durch Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren, daß in geeigneter Konzentration in einem Träger gas bzw. Verdünnungsgas, insbesondere inertem Gas enthalten, zur Kalibrierung von Lasern im Bereich von 193 nm bis 420 nm durch Anregung von Fluoreszenzlinien (Schumann- Runge-Banden) dient.
Unteranspruch zu Anspruch 9
Der verwendete Detektor zur Aufzeichnung des Fluoreszenzsignals kann als Nulldimensio naler (Photomultiplier, Photodiode), eindimensionaler (intensivierte Zeilenkamera), oder zweidimensionaler Sensor (intensivierte Flächenkamera) ausgeführt sein. Das Signal wird jeweils dem Detektor angepaßt von der Steuereinheit ausgelesen und aufbereitet.