DE2058064B2 - Inteif erometrisches Gerät zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Substanz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Ein Gerät mit diesen Merkmalen ist aus der DE-PS 99 545 bekannt. Es enthält eine nicht näher spezifizierte Lichtquelle und ein Interferometer mit zwei teildurchlässigcn und zwei vollständig reflektierenden Spiegeln, in dem der eine Teilslrahl zwischen seinem Entstehungsorl an dem als Bündcltcilcr wirkenden einen teildurchlässigen Spiegel und dem Ort der Wiedervereinigung mit dem anderen Teilslrahl dreimal reflektiert wird, während der andere Teilslrahl zwischen Entstehungsort und Wiedervereinigungsort zwei tcildurchlässige Spiegel durchsetzt und einmal reflektiert wird.

Aus der Zeitschrift »Internationale Elektronische Rundschau« 1969, Nr. I, Seite 24, ist außerdem ein durchstimmbarer Laser bekannt.

Es ist ferner in der deutschen Patentanmeldung entsprechend DE-OS 20 45 386 ein Gerät zur Bestimmung des COr-Gehalics einer biologischen Substanz vorgeschlagen worden, das einen CO2-Laser, ein Interferometer und eine Deteklorbrücke mit zwei photoelcktrischcn Einrichtungen enthält. Das Interferometer ist so ausgebildet, daß ein erster Teilstrahl mit zwei in Phasenquadratur siehenden Versionen eines zweiten Tcilslrahlcs, der durch die Probe beeinflußt wurde, zur Interferenz gebracht wird.

Bei der Bestimmung der Zusammensetzung einer Substanz mit optischer Strahlung isl es oft erwünscht, mit verschiedenen Meßwellenlängen arbeiten zu können. Besonders zweckmäßig wäre es, wenn man ähnlich "> wie bei Frequenzgangsmessungen eines elektrischen Vierpols mit einer kontinuierlich variablen Meßweüenlänge arbeiten könnte. Im durchstimmbaren Laser stehl zwar eine optische Strahlungsquelle mit kontinuierlich veränderbarer Wellenlänge zur Verfügung, die Durchführung einer Messung bei unterschiedlichen Wellenlängen ist jedoch bei Verwendung des oben erwähnten bekannten Gerätes mühsam, da das Gerät bei jeder neuen Meßwellenlänge neu abgeglichen werden muß. Ein kontinuierliches Durchfahren eines ganzen Wellenlängenbereiches unter gleichzeitiger Gewinnung eines entsprechenden Ausgangssignales ist mit dem bekannten Gerät überhaupt nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ein Übergang auf andere Meßwellenlängen ohne Neujustierung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgcmäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Maßnah-

men gelöst '

Eine Weiterbildung der Erfindung isl Gegenband des Anspruchs 2.

Durch die vorliegende Erfindung werden sowohl die Anwendungsmöglichkeiten als auch die Genauigkeit und der Informationsinhalt der Messungen eines Gerätes der eingangs genannten Art dadurch wesentlich vergrößert, daß der Laser durchstimmbar isl und daß die optischen Längen des Meß- und Vcrgleichskanales zwischen der Eintritlsscitc des Bündcllcilcrs und der Austritlsseitc der die Bündel vereinigenden Vorrichtung gleich sind.

Durch diese Maßnahmen wird das vorgeschlagene Gerät »brcitbandig« gemacht, so daß einwandfreie Meßergebnisse auch bei Veränderung der Schwingungsfrequcnz des Lasers in einem weiten Bereich erhallen werden. Das Meßergebnis ist nämlich abgesehen von den Einflüssen der Substanz unabhängig von der Frequenz bzw. Wellenlänge des vom Laser erzeugten Strahlungsbündcls.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.

Das in der Zeichnung schcmalisch dargestellte Gerät enthält einen durchslimmbarcn Laser 10, für den irgend ein bekannter Laser verwendet werden kann, dessen Schwingungsfrequenz in einem verhältnismäßig großen Bereich veränderbar isl.

Die Frequenz des Lasers ist durch einen Modulator 11 steuerbar, der z. B. eine zeitlich lineare Frequenzänderung bewirkt. Wenn die Darstellung der Ausgangssigna-Ie durch ein registrierendes Meßgerät, z. B. einen Schreiber, erfolgt, verläuft die Frequenzänderung so langsam, daß das Ergebnis einwandfrei aufgezeichnet werden kann. Bei Darstellung der Meßergebnisse durch einen Oszillographen, was im folgenden angenommen werden soll, erfolgt die Frequenzänderung vorzugsweise verhältnismäßig rasch und periodisch, z. B. entsprechend einer .Sägezahnschwingung von 50 Hz.

Der Laser 10 liefert ein Strahlungsbündcl 12, das durch einen Bündelicller 14 in zwei Tcilstrahlen, nämlich ein Rcferenzbündel 12a und ein McßbUndcl \2b, aufgeteilt wird Das Referonzbündel 12,·/ fällt durch eine Vergleichsküvette 16 auf einen Umlenkspiegel (8, dessen Lage vorzugsweise elektrisch justierbar ist,

worauf noch näher eingegangen wird. [Das Meßbündel I2ö fällt auf einen Umlenkspiegel 20, anschliclicnd durch die Meßküvette 22 und gelangt schließlich /u einem halbdurchlässigen Spiegel 24, von dem ein wesentlicher Teil der einfallenden Strahlung zu einer photoelektrischen Wandlereinrichtung 26 reflektiert wird. Das vom Spiegel 18 reflektierte Referen/.bündel durchsetzt zu einem wesentlichen Teil den halbdurchlässigen Spiegel 24 und die auf diese Weise vereinigten Bündel treten am Ort der phoioelektrisehen Wandlercinrichtung26in Interferenz.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die optischen Längen des vom Referen/.bündel 12a durchlaufenen Vergleichskanals unij des vom Mcßbündel 12b durchlaufenen Meßkanals, gemessen von der Eintrittsseite des Bündelteilers 14 bis zur Ausirittsscite des halbdurchlässigen Spiegels 24, gleich, so daß sich an der Interferenz am Ort der photoelckirischen Wandlereinrichtung 26 nichts ändert, wenn die Wellenlänge des Strahlungsbündels 12 geändert wird, die Verhältnisse aber sonst konstant und frequenzabhängig sind.

Das Ausgangssignal photoelektrischen Wi':;dlungseinrichtung 26 gibt also die Dämpfung und Phasenverschiebung durch die in der Küvette 22 enthaltene Substanz in Abhängigkeit von der Wellenlänge wieder.

Zur Anzeige der Dämpfung und Phasenverschiebung wird das Ausgangssignal der photoelektrischcn Wandlungseinrichtung vorzugsweise über einen Rcgclvcrstärkcr 28 einer Vorrichtung 30 zugeführt, die ein Stellsignal für eine Stellvorrichtung 32 liefert, welche den Spiegel 18 in seiner Lage zu verstellen gestaticl. Die Stellvorrichtung .32 enthält vorzugsweise ein piezoelektrisches Element, an dem der Spiegel 18 angebracht ist. Die die Bauelemente 26, 28, 30, 32 und 18 enthaltende Regelanordnung ist vorzugsweise s ausgebildet, daß am Ort der pholocleklrischen Wandlereinrichtung 26 ein Intcrfercnzmaxiimim aufrechterhalten wird. Die Strahlungsintensität im Intcrfercnzmaximiim ist dann umgekehrt proportional zur Dämpfung der Strahlung durch die Substanz in der Küvette 22, während die Verstellung des Spiegels 18 und damit das Stellsignal ein Maß für die Phasenverschiebung der Strahlung durch die Substanz darstellt. Dämpfung und Phasenverschiebung können durch einen Zweistrahl-Oszillographen 33 dargestellt werden, dessen Zeitablenkung durch den Modulator ΐΐ gesteuert wird, indem eine Ausgangsklemme X des Modulators 11 mit einer entsprechenden -Y-Ablenk- oder Synchronisationsklemme Jes Oszillo graphen 33 verbunden wird.

Um das der Dämpfung entsprechende Signal

■i unabhängig von etwaigen Schwankungen der Intensität des Strahlungsbündels 12 zu machen, kann man mit einer Vergleichsmessung arbeiten. Hierzu kann man z. B. den Umlenkspiegel 20 als teildurchlässigcn Spiegel ausbilden und die Intensität des durchfallenden Teiles

in 12c· des .Strahlungsbündels \2h mittels einer weiteren phoioelektrisehen Wandlereinrichtung 34 messen. Das Ausgangssignal dieser photoelektrischen Wandiereinrichtung 34 wird mit dem Ausgangssignal der photoelektrischcn Wandlercinrichtung 26, die wie beschrieben das Interlerenzmaximum mißt, in einer Vergleichsschaltung 36 verglichen, die ein von Amplitudenschwankungen der Eingangssirahlung unabhängiges Quotientcnsigral a ι den Oszillographen 33 liefen. Die direkte Verbindung 38 /wischen Her slrahlungsenipfindlichen Vorrichtung 26 und dem Oszillograph :n 33 entfüllt in diesem Falle.

Bei entsprechend langsamer Änderung der Schwingungsfrequenz der vom Laser 10 erzeugten Sirahlung kann an die Stelle des Oszillographen 33 sclbslversumdlieh ein XK-Schrcibcr oder dgl. treten.

Bei der Inbetriebnahme des vorliegenden Gerätes werden zuerst die Spiegel 14,18,20 und 24 so einjustieri. daß die optische Länge des Mcßkanals und des Rcferenzkanalcs gleich sind. Dies kann /. B. nach

in anfänglicher mechanischer Grobjustierung durch Verschiebung des Spiegels 18 geschehen, indem an die Stellvorrichtung 32 eine entsprechende Vorspannung gelegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Spiegel 20 mit einer Verstellvorrichtung. /. B. einem

y> piezoelektrischen Kristall und der entsprechenden Erregungsschaltung versehen sein. Anschließend wird die Regelschaltung so einjustiert, daß am Ort der strahlungsempfindlichcn Vorrichtung 26 ein Ini-rferenzmaximum herrscht, was bedeutet, daß der Gang-

4(1 unterschied des Refcrenzbündels und des Mcßbündcls gleich Null ist. Dieser Gangunicrschied bleibt auch bei der Änderung der Frequenz des Lasers null, auch wenn der Regelkreis unterbrochen ist. Mit In-Belrieb befindlicher Regelschaltung und moduliertem Laser

•r> werden dann die gewünschten Messungen uurchgc?ührt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Substanz mit einer optischen Strahlungsquelle in Form eines Lasers, mit einem den Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufspaltenden Bündelteiler, mit einer von dem einen Teilstrahl durchsetzten, die zu uniersuchende Substanz enthaltenden Meßlcüvette und einer von dem anderen Teilstrahl durchsetzten Vergleichsküvette, mit einem optischen Element zur Wiedervereinigung der beiden Teilstrahlen nach Durchgang durch die Meß- bzw. Vergleichsküvette, und mit einer auf die beiden wiedervereinigten, miteinander interferierenden Teilstrahlcn ansprechenden photoelektrischen Wandlereinrichtung zur Erzeugung eines der von der Substanz bewirkten Absorption und/oder der von der Substanz bewirkten Phasenverschiebung der Laserstrahlung entsprechenden Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle aus einem durchstimmbaren Laser (10) besteht, und daß die optischen Weglängen der beiden Teilstrahlen (1.2a, 12tyzwischen ihrem Entstehungsort im Bündelleiter (14) und dem Ort der Wiedervereinigung in dem optischen Element (24) gleich sind.

2. Gerät nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine Unterschiede zwischen den Weglängen der beiden Teilstrahlen (12a, 126^ kompensierende Regeleinrichtung (28, 30), die eingangsseitig vom Ausgangssignal der photoelektrischen Wandlereinrichtung (26) beaufschlagt ist und ausgangsseitig mit einer Justiereinrichtung (32) für ein die optische Weglänge eines der Teilstrchlen beeinflussendes Element (18) verbundin ist, und durch eine Einrichtung (33) zur Anzeige eir· -s dem Eingangssignal der Justiereinrichtung (32) entsprechenden Signals.