DE202008013557U1

DE202008013557U1 - Integrated optics for spectrometers

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Publication number: DE202008013557U1
Application number: DE200820013557
Authority: DE
Original assignee: ARGOS MESSTECHNIK GmbH
Current assignee: ARGOS MESSTECHNIK GmbH
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2018-10-16

Abstract

Integrierte Optik für ein Laserspektrometer dadurch gekennzeichnet, dass Strahlteiler (2), Fenster (3) und Detektoraufnahme (5, 6) aus einem optischen Teil bestehen.integrated Optics for a laser spectrometer characterized in that beam splitter (2), window (3) and detector receptacle (5, 6) of an optical part consist.

Description

Ein Spektrometer ist ein Gerät zur Darstellung eines Spektrums. Dabei kann es sich sowohl um Emissionsspektren (spektrale Untersuchungen von Lichtquellen) als auch um Absorptionsspektren handeln. Ein Spektrum ist die Intensität als Funktion der Wellenlänge bzw. der Frequenz bzw. der Energie. Diese Größen sind äquivalent.One Spectrometer is a device to display a spectrum. These can be both emission spectra (spectral studies of light sources) as well as absorption spectra act. A spectrum is the intensity as a function of the wavelength or the frequency or the energy. These sizes are equivalent.

In der Absorptionsspektroskopie befindet sich der zu untersuchende Gegenstand (meist ein Gas) zwischen der Lichtquelle und dem Detektor. Mit dem Detektor wird dabei die nicht absorbierte Strahlung aufgenommen. Im Spektrum werden die durch die Absorption hervorgerufenen Absorptionslinien sichtbar. Aufgrund der Lage der Absorptionslinien lassen sich bestimmte Gaskomponenten, wie zum Beispiel Sauerstoff, eindeutig identifizieren und quantifizieren. Dies geschieht berührungsfrei und läßt sich in einem weiten Temperatur- und Druckbereich durchführen.In The absorption spectroscopy is the one to be examined Object (usually a gas) between the light source and the detector. The non-absorbed radiation is absorbed by the detector. In the spectrum the absorption lines caused by the absorption become visible. Due to the location of the absorption lines, certain gas components, such as oxygen, uniquely identify and quantify. This happens without contact and lets himself go in a wide temperature and pressure range.

Zur Unterscheidung der Wellenlängen der zu analysierenden Strahlung wird diese mittels Brechung in einem Prisma oder durch Beugung an einem Gitter oder durch eine durchstimmbare monochromatische Lichtquelle erzeugt (z. B. Laserspektrometer). Es ist auch möglich, die Frequenzanteile mit Hilfe eines Interferometers anhand einer Fourieranalyse zu bestimmen (z. B. FTIR-Spektrometer).to Distinction of wavelengths the radiation to be analyzed, this is by refraction in a Prism or by diffraction on a grid or by a tunable monochromatic light source (eg laser spectrometer). It is also possible, the frequency components using an interferometer based on a Fourier analysis (eg FTIR spectrometer).

Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Laserdioden (TDLAS, eng. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) benutzt Laserdioden deren Linienbreiten sehr viel schmaler sind als die zu messenden Absorptionsspektren. Die Wellenlänge des Licht wird durch Modulation des Diodenstromes und/oder der Diodentemperatur verändert. Nachteilig wirkt sich aus, dass mit der Wellenlänge sich auch die Intensität des Lichtes verändert. Deswegen wird oft eine Referenzmessung durchgeführt und durch Subtraktion bzw. Quotientenbildung die Intensitätsänderung, die ja in beiden Kanälen stattfindet, eliminiert.absorption spectroscopy by means of tunable laser diodes (TDLAS, narrow tunable diode laser Absorption Spectroscopy) uses laser diodes whose line widths much narrower than the absorption spectra to be measured. The wavelength of the light is by modulation of the diode current and / or the diode temperature changed. adversely affects the fact that with the wavelength also the intensity of the light changed. Therefore, a reference measurement is often performed and subtracted or Quotient formation the intensity change, yes in both channels takes place, eliminated.

Der normale Aufbau besteht also aus Laserdiode, Strahlteiler und Detektoren. Das zu messende Gas muss sich in einer Zelle befinden. Diese muss durch Fenster gasdicht aber für Licht durchlässig sein.Of the normal structure thus consists of laser diode, beam splitter and detectors. The gas to be measured must be in a cell. This must go through Window gas-tight but for Be light permeable.

Ein Funktionbeispiel wird anhand der 1 erläutert.A functional example is based on the 1 explained.

1 Herkömmliches Laserspektrometer 1 Conventional laser spectrometer

2 Aufbau gemäß der Erfindung 2 Structure according to the invention

In den 1 und 2 ist der Aufbau eines Laserspektrometers dargestellt. Es zeigt den Laser (1), den Strahlteiler (2), das Fenster1 (3), das Fenster2 (4), den Referenzempfänger_DR (5), den Signalempfänger_DS (6) und die Messkammer (7)In the 1 and 2 the structure of a laser spectrometer is shown. It shows the laser ( 1 ), the beam splitter ( 2 ), the window1 ( 3 ), the window2 ( 4 ), the reference receiver_DR ( 5 ), the signal receiver_DS ( 6 ) and the measuring chamber ( 7 )

Funktionsweise anhand von 1:
Eine Laserdiode sendet einen in der Frequenz modulierten Lichtstrahl auf einen Strahlteiler (2). Ein Teil des Strahles erreicht den Referenzdetektor DR (5). Der andere Teil geht durch das Fenster1 (3), durchlauft die Messkammer (7) und verläßt die Messkammer durch das Fenster2 (4) um danach auf den Signaldetektor (6) zu fallen. Intensitätsänderungen des Laserstrahles werden von beiden Detektoren wahrgenommen. Änderungen durch Absorption in der Messkammer jedoch nur von dem Signaldetektor (6). Sind beide Signale gleich groß, so ergibt die Subtraktion der beiden Detektorsignale die Absorption.How it works based on 1 :
A laser diode transmits a frequency-modulated light beam to a beam splitter ( 2 ). A part of the beam reaches the reference detector DR ( 5 ). The other part goes through the window1 ( 3 ), passes through the measuring chamber ( 7 ) and leaves the measuring chamber through the window 2 ( 4 ) to the signal detector ( 6 ) to fall. Intensity changes of the laser beam are detected by both detectors. Changes due to absorption in the measuring chamber but only from the signal detector ( 6 ). If both signals are the same size, the subtraction of the two detector signals results in the absorption.

Bei einem Aufbau gemäß 1 ergeben sich folgende Probleme:

– Der Aufbau muss mechanisch justiert werden.
– Im Referenzkanal darf sich keine zu messende Gaskomponente befinden. (Im Falle von Sauerstoffmessung darf keine Luft enthalten sein!)
– An allen Fenstern bzw. an allen planparallelen Schichten können Interferenzen auftreten, die das Messsignal verfälschen. Es sollten deshalb möglichst keine planparallelen Schichten im Strahlengang vorkommen.

In a construction according to 1 the following problems arise:

- The structure must be adjusted mechanically.
- There must be no gas component to be measured in the reference channel. (In the case of oxygen measurement, no air may be contained!)
- Interference may occur on all windows or on all plane-parallel layers, which falsify the measurement signal. It should therefore occur as possible no plane-parallel layers in the beam path.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt zugrunde, eine integrierte monolithische Optik zu schaffen, die keine mechanischen Einstellelemente mehr besitzt, keine planparallelen Fenster im Strahlengang hat sowie einen gasfreien Referenzzweig besitzt.Of the in claim 1 protection invention is based, an integrated to create monolithic optics that have no mechanical adjustment elements has more, has no plane-parallel window in the beam path as well has a gas-free reference branch.

Diese Probleme werden mit dem in Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmal gelöst. Mit der Erfindung wird erreicht, dass aufgrund der optischen Fertigungstechnik keine Justierungen mehr notwendig sind. Der Weg zwischen Strahlteiler und Referenzempfänger ist gasfrei. Alle optischen Pfade zwischen Strahlteiler und Fenster sind gasfrei. Alle optischen Pfade im Umlenkspiegel (Retroreflektor) sind gasfrei.These Problems are with the feature listed in protection claim 1 solved. With the invention it is achieved that due to the optical production technology no adjustments are necessary anymore. The path between the beam splitter and reference receiver is gas free. All optical paths between beam splitter and window are gas free. All optical paths in the deflection mirror (retroreflector) are gas free.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 2 erläutert.An embodiment of the invention will be described with reference to 2 explained.

Funktionsweise anhand von 2:
Eine Laserdiode sendet einen in der Frequenz modulierten Lichtstrahl auf einen Strahlteiler (2). Der Strahlteiler befindet sich auf der Kathete eines Prismas, welches mit einem entsprechend geformten Glaskörper verkittet ist. Dabei ist die Eintrittsfläche (8) abgeschrägt. Ein Teil des Strahles erreicht nach Totalreflexion an der anderen Kathete den Referenzdetektor DR (5). Der andere Teil verlässt den Glaskörper (3), durchläuft die Messkammer (7) und tritt durch die Stirnseite eines Retroreflektors in diesen ein. Auch hier ist die Stirnseite (4) abgeschrägt. Nach mehrmaliger Reflexion im Retroreflektor wird dieser durch (4) verlassen und gelangt wieder durch die Messkammer. Nach der Messkammer gelangt der Lichtstrahl auf die abgeschrägte Stirnseite des Glaskörpers (3) und auf den Signaldetektor (6).How it works based on 2 :
A laser diode transmits a frequency-modulated light beam to a beam splitter ( 2 ). The beam splitter is located on the catheter of a prism, which is cemented with a correspondingly shaped glass body. The entrance surface ( 8th ) bevelled. A part of the beam reaches the reference detector DR after total reflection at the other catheter. 5 ). The other part leaves the glass body ( 3 ), passes through the measuring chamber ( 7 ) and enters through the front of a retroreflector in this. Again, the front page ( 4 ) bevelled. After repeated reflection in the retroreflector, it is replaced by ( 4 ) and gets back through the measuring chamber. After the measuring chamber, the light beam reaches the bevelled end face of the glass body ( 3 ) and the signal detector ( 6 ).

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 2 dargestellt. Durch Abschleifen, Polieren und Vergüten der Eintrittsfläche (8) für den Laserstrahl unter einem Winkel ungleich 90 Grad zum Laserlicht vermeidet man eine planparallele Fläche, die zu Interferenzen führt.An advantageous embodiment of the invention is shown in the protection claim 2. By grinding, polishing and tempering the entrance surface ( 8th ) for the laser beam at an angle not equal to 90 degrees to the laser light avoids a plane-parallel surface, which leads to interference.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 3 dargestellt. Durch Abschleifen, Polieren und Vergüten der Fensterfläche (3) der Messstrahlen unter einem Winkel ungleich 90 Grad zur Längsachse des integrierten, monolithischen Optikblocks vermeidet man eine planparallele Fläche, die zu Interferenzen führt.A further advantageous embodiment of the invention is shown in the protection claim 3. By grinding, polishing and tempering the window surface ( 3 ) of the measuring beams at an angle not equal to 90 degrees to the longitudinal axis of the integrated, monolithic optical block avoids a plane-parallel surface, which leads to interference.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 4 dargestellt. Fertigungstechnisch ist es sinnvoll, Spezialschichten (Strahlteilerschicht) auf einfachen Körpern aufzubringen. Hier wurde ein einfaches 90-Grad-Prisma gewählt. Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass beide Empfänger (Fotodioden) auf einer Ebene liegen, so dass sie gemeinsam auf einer Leiterplatte montiert werden können.A Another advantageous embodiment of the invention is in the protection claim 4 shown. In terms of manufacturing technology, it makes sense to use special layers (beam splitter layer) on simple bodies applied. Here, a simple 90 degree prism was chosen. When Another advantage is that both receivers (photodiodes) on a Lie flat so that they are mounted together on a printed circuit board can.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 5 dargestellt. Es werden modernste, fenster- und gaslose Fotodioden (5, 6) unmittelbar auf den integrierten, monolithischen Körper geklebt. So wird verhindert, dass sich Interferenzen durch Fenster bzw. Absorptionen durch Gaskomponenten wie mit üblichen Fotodioden ergeben.A further advantageous embodiment of the invention is shown in the protection claim 5. State-of-the-art, window- and gas-free photodiodes ( 5 . 6 ) glued directly onto the integrated, monolithic body. This prevents interference from windows or absorption by gas components as with conventional photodiodes.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 6 dargestellt. Durch Einsatz eines monolithischen Retroreflektors ergibt sich erstens eine doppelte optische Pfadlänge was einer doppelten Empfindlichkeit entspricht und zweitens kann hiermit das zweite Fenster eingespart werden. Durch Abschleifen, Polieren und Vergüten der Fensterfläche (4) der Messstrahlen unter einem Winkel ungleich 90 Grad zur Längsachse des Retroreflektors vermeidet man eine planparallele Fläche, die zu Interferenzen führt.A further advantageous embodiment of the invention is shown in the protection claim 6. The use of a monolithic retroreflector firstly results in a double optical path length which corresponds to a double sensitivity and secondly, the second window can be saved herewith. By grinding, polishing and tempering the window surface ( 4 ) of the measuring beams at an angle not equal to 90 degrees to the longitudinal axis of the retroreflector avoids a plane-parallel surface, which leads to interference.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 7 dargestellt. Durch Ausformung des Retroreflektors und des integrierten, monolithischen optischen Blocks als Zylinder läßt sich die Optik leicht in runde Behälter wie z. B. Edelstahlrohre einsetzen. Damit kann auf einfache Weise erreicht werden, dass das Messgas nur mit Quarz, Edelstahl und evtl. O-Ring in Berührung kommt. Das Messvolumen kann klein gehalten werden um auch kleine Gasmengen zu messen.A Another advantageous embodiment of the invention is in the protection claim 7 is shown. By molding the retroreflector and the integrated, monolithic optical block as a cylinder can be the optics easily into round containers such as B. use stainless steel pipes. This can be achieved in a simple manner be that the sample gas only with quartz, stainless steel and possibly O-ring in touch comes. The measuring volume can be kept small and even small To measure gas quantities.

Claims

Integrated optics for a laser spectrometer, characterized in that beam splitters ( 2 ), Window ( 3 ) and detector recording ( 5 . 6 ) consist of an optical part.

Monolithic optics according to claim 1, characterized in that the surface for laser entry ( 8th ) at an angle other than 90 degrees to the laser light axis.

Monolithic optics according to one of the preceding claims, characterized in that the exit surface ( 3 ) at an angle other than 90 degrees to the longitudinal axis.

Monolithic lens according to one of the preceding claims, characterized in that a 90 degree prism ( 9 ) is used, which on one catheter directs the beam splitter layer and on the other catheter by total reflection the reference beam so that signal and reference diode are on one side.

Monolithic optics according to one of the preceding claims, characterized in that windowless and gas-free surface diodes with connections on the back ( 5 ), ( 6 ) are glued directly to the monolithic glass body.

Monolithic optics according to one of the preceding claims, characterized in that on the opposite side a retroreflector is used whose end face ( 4 ) has an angle not equal to 90 degrees to the longitudinal axis.

Monolithic optics according to one of the preceding Claims, characterized in that the monolithic block and the retroreflector be shaped round (as a cylinder).