DE2058064C3 - Interferometrisches Gerät zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Substanz - Google Patents

Description

40

Die Erfindung betrifft ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Gerät mit diesen Merkmalen ist aus der DE-PS 99 545 bekannt. Es enthält eine nicht näher spezifizier- ^⁵ te Lichtquelle und ein Interferometer mit zwei teildurchlässigen und zwei vollständig reflektierenden Spiegeln, in dem der eine Teilstrahl zwischen seinem Entstehungsort an dem als Bündelteiler wirkenden einen teildurchlässigen Spiegel und dem Ort der Wiedervereinigung mit dem anderen Teilstrahl dreimal reflektiert wird, während der andere Teilstrahl zwischen Entstehungsort und Wiedervereinigungsort zwei teildurchlässige Spiegel durchsetzt und einmal reflektiert wird.

Aus der Zeitschrift »Internationale Elektronische Rundschau« 1969, Nr. 1, 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 CXVGehaltes einer biologischen Substanz vorgeschlagen worden, das einen CO₂-Laser, ein Interferometer und eine Detektorbrücke mit zwei photoelektrischen Einrichtungen enthält. Das Interferometer ist so ausgebildet, daß ein erster Teilstrahl mit zwei in Phasenquadratur stehenden Versionen eines zweiten Teilstrahles, der durch die Probe beeinflußt wurde, zur Interferenz gebracht wird.

Bei der Bestimmung der Zusammensetzung einer Substanz mit optischer Strahlung ist 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 Meßwellen länge arbeiten könnte. Im durchstimmbaren Laser steht zwar eine optische Strahlungsquelle mit kontinuierlich veränderbarer Wellenlänge zur Verfugung, 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 nich; möglich.

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand 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 ist und daß die optischen Längen des Meß- und Vergleichskanales zwischen der Eintrittsseite des Bündelteilers und der Austrittsseite der die Bündel vereinigenden Vorrichtung gleich sind.

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

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.

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

Die Frequenz des Lasers ist durch einen Modulator 11 steuerbar, der z. B. eine zeitlich lineare Frequenzänderung bewirkt. Wenn die Darstellung der Ausgangssignale 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 Strahlungsbündel 12, das durch einen Bündelteller 14 in zwei Teilstrahlen, nämlich ein Referenzbündel 12a und ein Meßbündel 126, a ifgeteilt wird. Das Referenzbündel 12a fällt durch eine Vergleichsküvette 16 auf einen Umlenkspiegel 18, dessen Lage vorzugsweise elektrisch justierbar ist,

worauf noch näher eingegangen wird. Das Meßbündel 120 fällt auf einen Umlenkspiegel 20, anschließend Jurch die Meßküvette 22 und gelangt schließlich zu einem halbdurchlässigen Spiegel 24, vor dem ein wesentlicher Teil der einfallenden Strahlung zu einer photoelektrischen Wandlereinrichtung 26 reflektiert wird. Das vom Spiegel 18 reflektierte Referenzbündel durchsetzt zu einem wesentlichen Teil den halbdurchlässigen Spiegel 24 und die auf diese Weise vereinigten Bünde! treten am Ort der photoelektrischen Wandlereinrichtung 2i» in Interferenz.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die optischen Längen des vom Referenzbündel 12a durchlaufenen Vergleichskanals und des vom Meßbündel 12£> durchlaufenen Meßkanals, gemessen von der Eintrittsseite des Bündelteilers 14 bis zur Austrittsseite des halbdurchlässigen Spiegels 24, gleich, so daß sich an der Interferenz am Ort der photoelektrischen Wandlereinrichtung 26 nichts ändert, wenn die Wellenlänge des Strahlungsbündels 12 geändert wird, die Verhältnisse aber sonst konstant und frequenzabhängig sind.

Das Ausgangssignal photoelektrischen Wandlungseinrichtung 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 photoelektrischen Wandlungseinrichtung vorzugsweise über einen Regelverstärker 28 einer Vorrichtung 30 zugeführt, die ein Stellsignal für eine Stellvorrichtung 32 liefert, welche den Spiegel 18 in seiner Lage zu verstellen gestattet. Di«. 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 so ausgebildet, daß am Ort der photoelektrischen Wandlereinrichtung 26 ein Interferenzmaximum aufrechterhalten wird. Die Strahlungsintensität im Interferenzmaximum 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 11 gesteuert wird, indem eine Ausgangsklemme Λ des Modulators 11 mit einer entsprechenden A-Ablenk- oder Synchronisationsklemme des Oszillographen 33 verbunden wird.

Um das der Dämpfung entsprechende Signal unabhängig von etwaigen Schwankungen der Intensität des Sirahlungsbündels 12 zu machen, kann man mit einer Vergleichsmessung arbeiten. Hierzu kann man z. B. den Umlenkspiegel 20 als teildurchlässigen Spiegel ausbilden und die Intensität des durchfallenden Teiles 12c des Strahlungsbündels \2b mittels einer weiteren photoelektrischen Wandlereinrichtung 34 messen. Das Ausgangssignal dieser photoelektrischen Wandlereinrichtung 34 wird mit dem Ausgangssignal der photoelektrischen Wandlereinrichtung 26, die wie beschrieben das Interferenzmaximum mißt, in einer Vergleichsschall ang 36 verglichen, die ein von Amplitudenschwankungen der Eingangsstrahlung unabhängiges Quotientensignal an den Oszillographen 33 liefert. Die direkte Verbindung 38 zwischen der strahlungsempfindlichen Vorrichtung 26 und dem Oszillographen 33 entfällt in diesem Falle.

Bei entsprechend langsamer Änderung der Schwingungsfrequenz der vom Laser 10 erzeugten Strahlung kann an die Stelle des Oszillographen 33 selbstverständlieh ein X Y-Schreiber oder dgl. treten.

Bei der Inbetriebnahme des vorliegenden Gerätes werden zuerst die Spiegel 14,18,20 und 24 so einjustiert, daß die optische Länge des Meßkanals und des Referenzkanales gleich sind. Dies kann z. B. nach ίο 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, z. B. einem piezoelektrischen Kristall und der entsprechenden Erregungsschaltung versehen sein. Anschließend wird die Regelschaltung so einjustiert, daß am Ort der strahlungsempfindlichen Vorrichtung 26 ein Interferenzmaximum herrscht, was bedeutet, daß der Gangunterschied des Referenzbündels und des Meßbündels gleich Null ist. Dieser Gangunterschied bleibt auch bei der Änderung der Frequenz des Lasers null, auch wenn der Regelkreis unterbrochen ist. Mit In-Betrieb befindlicher Regelschaltung und moduliertem Laser werden dann die gewünschten Messungen durchgeführt.

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 untersuchende Substanz enthaltenden Meßküvette und einer von dem anderen Teilstrahl durchsetzten Vergleichsküvette, mit einem optischen Element zur <o Wiedervereinigung der beiden Teilstrahlen nach Durchgang durch die Meß- bzw. Vergleichsküvette, und mit einer auf die beiden wiedervereinigten, miteinander interferierenden Teilstrahlen ansprechenden photoelektrischen Wandiereinrichtung 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 durchstinimbaren Laser (10) besteht, und daß die optischen Weglängen der beiden Teilstrahlen (12a, Inzwischen ihrem Entstehungsort im Bündelteiler (14) und dem Ort der Wiedervereinigung in dem optischen Element (24) gleich sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Unterschiede zwischen den Weglängen der beiden Teilstrahlen (12a, \2b) 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 Teilstrahlen beeinflussendes Element (18) verbunden isi, und durch eine Einrichtung (33) zur Anzeige eines dem Eingangssignal der Justiereinrichtung (32) entsprechenden Signals.