DE2906985C2

DE2906985C2 -

Info

Publication number: DE2906985C2
Application number: DE19792906985
Authority: DE
Inventors: Antoine Dr. Hegenheim Fr Hirth
Original assignee: DEUTSCH-FRANZOESISCHES FORSCHUNGSINSTITUT SAINT-LOUIS SAINT-LOUIS HAUT-RHIN FR
Current assignee: DEUTSCH-FRANZOESISCHES FORSCHUNGSINSTITUT SAINT-LOUIS SAINT-LOUIS HAUT-RHIN FR
Priority date: 1978-04-06
Filing date: 1979-02-22
Publication date: 1988-12-01
Also published as: FR2422155A1; DE2906985A1; FR2422155B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung eines durchlässigen gasförmigen oder flüssigen Mediums durch kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung nach dem Ober begriff des Anspruches 1.The invention relates to a device for examination a permeable gaseous or liquid medium by coherent anti-Stokes Raman scattering according to the upper Concept of claim 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 27 29 275 bekannt. Mit Hilfe dieser bekannten Vorrichtung kann eine spektroskopische Gasanalyse durchgeführt werden, wobei ein kohärenter monochromatischer Strahl erzeugt wird, ein Farblaser mit diesem Strahl gepumpt wird und ein anderer kohärenter monochromatischer Strahl erzeugt wird. Dabei wird die Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen so eingestellt, daß sie im wesentlichen der Drehfrequenz eines vorgewählten Bestandteils des Gases gleichkommt. Die Strahlen werden durch das Gas geführt und es wird dabei eine Streustrahlung erzeugt, welche ein erfaßbares Signal enthält, das aus einer Anti-Stokes-Komponente zusammen gesetzt ist, die während der Streuung kohärent erzeugt wird. Die Streustrahlung wird zum trennscharfen Durchlas sen des erfaßbaren Signals gefiltert und es wird die Intensität des Signals festgestellt und angezeigt. Such a device is from DE-OS 27 29 275 known. With the help of this known device spectroscopic gas analysis can be performed, whereby a coherent monochromatic beam is generated a color laser is pumped with this beam and a other coherent monochromatic beam is generated. The frequency difference between the beams set to be essentially the rotational frequency a selected component of the gas. The jets are guided through the gas and it is there a scattered radiation, which generates a detectable signal contains that is composed of an anti-Stokes component is set, which is generated coherently during the scattering becomes. The scattered radiation becomes a clear cut through filtered the detectable signal and it becomes the Intensity of the signal determined and displayed.

Gemäß diesem bekannten Verfahren und Vorrichtung wird das zu analysierende Medium in einem der Hohlraumreso natoren der Strahlungsquellen untergebracht.According to this known method and device the medium to be analyzed in one of the cavity reso nators of the radiation sources.

Aus der DD-PS 1 22 856 ist eine Anordnung zur Erzeugung der inversen Raman-Streuung in wenig absorbierenden und schwach streuenden Substanzen bekannt. Dabei befindet sich eine die zu untersuchende Substanz enthaltende Raman- Küvette innerhalb eines Resonators eines auf den ineressierenden Frequenzbereich abstimmbaren Nachweis- Lasers, wobei zusätzlich zur Strahlung des Nachweis-Lasers ein intensiver Anregungslaserimpuls in die Raman-Küvette eingestrahlt wird. Bei einer Ausführungsform dieser be kannten Anordnung sind mindestens zwei Laserquellen vor gesehen, von denen die eine in der Frequenz abstimmbar ist. Diese Anordnung enthält ferner optische Zusatzgeräte wie beispielsweise Spiegel, um eine Überlagerung der von den beiden Laserquellen ausgesendeten Wellen zu ermöglichen. Ferner sind auch Zusatzgeräte zur Erfassung der infolge der Wechselwirkung zwischen dem zu untersuchenden Medium und den erwähnten sich überlagernden Wellen gestreuten Welle vorgesehen, wobei die Hohlraumresonatoren der beiden Laserquellen mit Hilfe mindestens eines Dispersions prismas miteinander gekoppelt sind, das sich im optischen Weg der beiden von den Laserquellen ausgehenden Wellen befindet und das zu analysierende Medium in diesen beiden miteinander gekoppelten Hohlraumresonatoren untergebracht ist. Eine Frequenzbestimmung kann hier aber lediglich auf mechanischem Wege durch Verschwenken eines ganzen optischen Zweiges vorgenommen werden, was eine nur grobe Frequenzabstimmung bedeutet.From DD-PS 1 22 856 is an arrangement for generation the inverse Raman scattering in little absorbing and weakly scattering substances known. Is located a Raman containing the substance to be examined Cuvette within a resonator one on the Interesting frequency range of tunable detection Laser, in addition to the radiation of the detection laser an intense excitation laser pulse into the Raman cuvette is irradiated. In one embodiment of this be arrangement are at least two laser sources seen, one of which is tunable in frequency. This arrangement also contains optical accessories such as for example mirrors to overlay the ones of the to enable both laser sources emitted waves. Furthermore, additional devices for recording the result the interaction between the medium to be examined and the above-mentioned overlapping waves Shaft provided, the cavity resonators two laser sources using at least one dispersion prisms are coupled with each other, which is reflected in the optical Path of the two waves emanating from the laser sources located and the medium to be analyzed in these two coupled cavity resonators housed is. Frequency determination is only possible here mechanically by swiveling an entire optical branch can be made, which is only a rough Frequency tuning means.

Aus der Zeitschrift "IBM-Technical Disclosure Bulletin", Vol. 16, Nr. 6, November 1973, Seiten 1804 bis 1805 ist ein Lasersystem zur Messung von Gaskonzentrationen in Gasmischungen bekannt, wobei dieses bekannte Lasersystem so ausgelegt ist, um den Rauschabstand zu verbessern. Bei diesem bekannten System wird die ein zu untersuchen des Gas enthaltende Zelle innerhalb des Laserhohlraums angeordnet, um dadurch eine Erhöhung der Raman-Streuung zu erzielen.From the magazine "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 16, No. 6, November 1973, pages 1804 to 1805 a laser system for measuring gas concentrations in Gas mixtures are known, this known laser system is designed to improve the signal-to-noise ratio. In this known system, one will be examined of the gas-containing cell within the laser cavity arranged to thereby increase the Raman scatter to achieve.

Aus der DE-AS 23 20 166 ist eine Vorrichtung zur Unter suchung eines molekularen Gases mit gegebener Schwingungs frequenz bekannt, um eine Konzentrationsverteilung mittels der stimulierten Raman-Streuung zu messen und sichtbar zu machen, wobei ein Impulslaser zur Anwendung gelangt, der einen ersten kohärenten Laserstrahl mit einer ersten Frequenz abgibt und wobei schließlich auch eine zweite Einrichtung zur Abgabe eines zweiten kohärenten Licht strahls vorgesehen ist, der kollinear mit dem ersten Lichtstrahl ist und dessen Energie in den Bereich der Frequenz der Stokes-Linie des Gases fällt. Es sind optische Mittel vorgesehen, um die beiden kollinearen Strahlen auf das zu untersuchende Gas zu richten und in einem vorgegebenen Bereich desselben zu fokussieren. Das Wesentliche dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß die Einrichtung zur Erzeugung des zweiten kohärenten Lichtstrahls derart ausgebildet ist, daß die Frequenz des zweiten Lichtstrahls genau der Frequenz der Stokes- Linie des untersuchten Gases entspricht und daß Filter einrichtungen vorgesehen sind, um zu verhindern, daß zu der Registriereinrichtung dieser bekannten Vorrichtung die Strahlen mit einer bestimmten Frequenz des ersten Laserstrahls sowie die Strahlen mit der Frequenz des zweiten Lichtstrahls gelangen können, während jedoch die Strahlen mit der Frequenz der Anti-Stokes-Linie des Gases zur Registriereinrichtung hindurchgelassen werden. Irgend welche Mittel zur Grobeinstellung oder Feineinstellung der Frequenzen sind hierbei jedoch nicht vorgesehen.From DE-AS 23 20 166 is a device for the sub looking for a molecular gas with a given vibration frequency known to use a concentration distribution of the stimulated Raman scattering and visible using a pulsed laser, the first coherent laser beam with a first Frequency and finally also a second Device for emitting a second coherent light beam is provided, the collinear with the first Is light beam and its energy in the range of Frequency of the Stokes line of the gas falls. There are optical means are provided around the two collinear Direct the rays to the gas to be examined and in to focus on a given area of the same. The essence of this known device is that the device for generating the second coherent Light beam is designed such that the frequency of the second light beam exactly the frequency of the Stokes Line of the gas examined corresponds to that filter facilities are provided to prevent the registration device of this known device the rays with a certain frequency of the first Laser beam as well as the beams with the frequency of the second light beam can reach, but the Rays with the frequency of the anti-Stokes line of the gas be let through to the registration device. Any what means for rough adjustment or fine adjustment the frequencies are not provided.

Schließlich ist aus der DD-PS 1 10 945 eine Anordnung zur Erzeugung der stimulierten Resonanz-Raman-Streuung be kannt, wobei ein Anregungslaser Verwendung findet, in dessen Strahlengang ein Wechselwirkungssystem, ein Abbil dungssystem und eine Nachweiseinrichtung angeordnet sind. Das Wechselwirkungssystem besteht aus zwei räumlich ge trennten Küvetten, von denen die eine Küvette die mit Hilfe der stimulierten Resonanz-Raman-Streuung zu unter suchende Substanz und die andere Küvette einen Farbstoff enthält, der zu stimulierender Fluoreszenz angeregt werden kann.Finally, from DD-PS 1 10 945 an arrangement for Generation of the stimulated resonance Raman scattering knows, where an excitation laser is used, in whose beam path is an interaction system, an image system and a detection device are arranged. The interaction system consists of two ge separated cuvettes, one of which has a cuvette Using the stimulated resonance Raman scattering to under searching substance and the other cuvette a dye contains, which stimulates fluorescence to be stimulated can be.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Vorrichtung zur Untersuchung eines durchlässigen gas förmigen oder flüssigen Mediums durch kohärente Anti-Stokes- Raman-Streuung der angegebenen Gattung zu vervollkommnen, um insbesondere die Intensität der Anti-Stokes-Welle zu erhöhen, die sich infolge der Wechselwirkung zwischen den beiden von den Laserquellen ausgesandten sich überlagernden Wellen bildet und um auf besonders einfache Weise eine Abstimmung der Laserquellen aufeinander zu ermöglichen und damit Untersuchungen mit einer sehr hohen Genauigkeit zu erreichen.The object underlying the invention is the device for examining a permeable gas shaped or liquid medium through coherent anti-Stokes To perfect Raman scattering of the specified genus, to increase the intensity of the anti-Stokes wave increase due to the interaction between the two overlapping emitted by the laser sources Forms waves and in a particularly simple way To allow coordination of the laser sources to each other and thus examinations with a very high accuracy to reach.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeich nungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This object is achieved by the in the character solved part of claim 1 listed features.

Bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist die im Inneren der Hohlraumresonatoren der beiden Laser verfüg bare Leistung um mindestens den Faktor 20 größer als die am Ausgang dieser Laser vorhandene Leistung. In the device according to the present invention inside the cavity resonators of the two lasers performance at least 20 times greater than that power present at the output of this laser.

Da andererseits die Streuintensität proportional N ²I² (W _p )I(W _s) ist - wobei N die molare Konzentration des untersuchten Mediums und I(W _p ), I(W _s) die von dem Festfrequenzlaser bzw. dem Laser mit veränderlicher Frequenz gelieferten Intensitäten darstellen - vergrößert man, wenn man die Hohlraumresonatoren der beiden Laser miteinander koppelt, die Intensität der Anti-Stokes- Streuwelle mindestens um den Faktor 400, verglichen mit den bis jetzt hergestellten Vorrichtungen zur kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung.On the other hand, since the scattering intensity is proportional to N ² I ² (W _p ) I (W _s ) - where N is the molar concentration of the medium examined and I (W _p ), I (W _s ) that of the fixed-frequency laser or the laser with variable Represent intensities delivered frequency - if one couples the cavity resonators of the two lasers with one another, the intensity of the anti-Stokes stray wave is increased by at least a factor of 400 compared to the devices for the coherent anti-Stokes Raman scattering produced up to now.

Unter Berücksichtigung dieser beträchtlichen Erhöhung der Anti-Stokes-Streuintensität ist es möglich, die Dichte- und Temperaturschwankungen in gasförmigen Strö mungen mit einer Zeitauflösung von 10 Mikrosekunden und einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1% zu messen.Taking this substantial increase into account the anti-Stokes scattering intensity it is possible to Density and temperature fluctuations in gaseous flows measurements with a time resolution of 10 microseconds and to measure an accuracy of the order of 1%.

Außerdem ist es möglich, ein meßbares anti-stokessches Signal bei sehr geringem Druck (ca. um den Faktor 30 niedriger als in den bekannten Vorrichtungen) des zu untersuchenden Gases zu erhalten, was von großem Interesse für die Spektroskopie mit hoher Auflösung und die Mole kularphysik ist.It is also possible to have a measurable anti-Stokes Signal at very low pressure (approx. By a factor of 30 lower than in the known devices) of the to get investigating gas, which is of great interest for high resolution spectroscopy and moles is cellular physics.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9.Particularly advantageous refinements and developments the invention result from subclaims 2 to 9.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen unter Hinweise auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt In the following the invention is based on exemplary embodiments play explained with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zur Untersuchung von strömenden Medien durch kohärente Anti-Stokes-Raman- Streuung; Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of the device for examining flowing media by coherent anti-Stokes Raman scattering.

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zwei ten Ausführungsform der Vorrichtung; Figure 2 is a schematic view of a two-th embodiment of the device.

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer drit ten Ausführungsform der Vorrichtung und Fig. 3 is a schematic view of a third embodiment of the device and

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer vier ten Ausführungsform der Vorrichtung. Fig. 4 is a schematic view of a four-th embodiment of the device.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Laserquelle mit fester Frequenz (Dauerstrich-Gasionenlaser) bezeichnet, deren Hohlraumresonator durch den Spiegel M ₁, das Disper sionsprisma P ₁, den Spiegel M ₂ und den Spiegel M ₃ gebildet wird. Die Laserquelle 1 liefert eine Welle mit der Festfrequenz W _p.In Fig. 1, 1 denotes a laser source with a fixed frequency (continuous wave gas ion laser), the cavity of which is formed by the mirror M ₁ , the dispersion prism P ₁ , the mirror M ₂ and the mirror M ₃ . The laser source 1 delivers a wave with the fixed frequency W _p .

Die Vorrichtung umfaßt andererseits als abstimmbare Laserquelle 2 einen abstimmbaren Dauerstrichfarbstofflaser, dessen Hohlraumresonator durch die Spiegel M ₄, M ₅, das Dispersionsprisma P ₂, die Spiegel M ₆, M ₇, das Dispersionsprisma P ₁ und die Spiegel M ₂ und M ₃ gebildet wird. Dieser Hohlraumresonator ist mit dem jenigen der Laserquelle 1 mit Hilfe des Dispersionsprismas P ₁ gekoppelt, das die Überlagerung und Kollinearität der Welle der Frequenz W _p mit der von der in der Frequenz abstimmbaren Laserquelle 2 ausgehenden Welle der variablen Frequenz W _s si cherstellt.On the other hand, the device comprises as tunable laser source 2 a tunable continuous wave dye laser, the cavity resonator of which is formed by mirrors M ₄ , M ₅ , dispersion prism P ₂ , mirrors M ₆ , M ₇ , dispersion prism P ₁ and mirrors M ₂ and M ₃ . This cavity resonator is coupled to that of the laser source 1 with the aid of the dispersion prism P ₁ , which ensures the superimposition and collinearity of the wave of the frequency W _p with the wave of the variable frequency W _s si emanating from the frequency-tunable laser source 2 .

Bei der abstimmbaren Laserquelle 2 geschieht die optische kolli neare Anregung durch die Intensität I _p der aus dem Hohl raumresonator der Laserquelle 1 mit fester Frequenz austretenden Welle. Die Kollinearität dieser Welle mit derjenigen der abstimm baren Laserquelle 2 wird durch die Totalreflexionsprismen P ₃ und P ₄ sowie durch das Dispersionsprisma P ₂ erreicht.In the tunable laser source 2 , the optical collinear excitation occurs through the intensity I _{p of} the wave emerging from the cavity of the laser source 1 at a fixed frequency. The collinearity of this wave with that of the tuning cash laser source 2 is achieved by the total reflection prisms P ₃ and P _4, and by the dispersion prism _P2.

Das zu analysierende gasförmige Medium 3 wird zwischen die Spiegel M ₂ und M ₃, d. h. in das Innere der miteinander ge koppelten Hohlraumresonatoren der beiden Laserquellen 1 und 2 gebracht.The gaseous medium 3 to be analyzed is placed between the mirrors M ₂ and M ₃ , ie into the interior of the mutually coupled cavity resonators of the two laser sources 1 and 2 .

Zwischen dem Dispersionsprisma P ₂ und dem Spiegel M ₆ ist ein Fabry-P´rot-Etalon 4 vorgesehen, dessen Rolle nach stehend erläutert wird.A Fabry-P'rot etalon 4 is provided between the dispersion prism P ₂ and the mirror M ₆ , the role of which is explained below.

Die vorstehend erwähnte Vorrichtung arbeitet wie folgt:The above-mentioned device works as follows:

Für jedes zu untersuchende gasförmige Medium 3 stellt man die Frequenz W _s der von der abstimmbaren Laserquelle 2 ausgehenden Welle grob ein, indem man den Spiegel M ₈ ausrichtet (ge strichelt dargestellt). Dann werden die Hohlraumresonatoren der beiden Laserquellen 1 und 2 mit Hilfe der Spiegel M ₆ und M ₇ miteinander gekoppelt, und der Spiegel M ₈ wird entfernt. Die Feineinstellung der Frequenz W _s erfolgt mit Hilfe des Fabry-P´rot-Etalons 4. Die Anti-Stokes-Welle der Frequenz W _AS, die durch die Wechselwirkung der sich überlagernden Wellen der Frequenz W _s und W _p entsteht, wird über den Spiegel M ₃ erfaßt.For each gaseous medium 3 to be examined, the frequency W _s of the wave emanating from the tunable laser source 2 is roughly adjusted by aligning the mirror M ₈ (shown in dashed lines). The cavity resonators of the two laser sources 1 and 2 are then coupled to one another with the aid of mirrors M ₆ and M ₇ , and the mirror M ₈ is removed. The frequency W _s is fine-tuned using the Fabry-P´rot etalon 4 . The anti-Stokes wave of the frequency W _AS , which arises from the interaction of the overlapping waves of the frequency W _s and W _p , is detected via the mirror M ₃ .

Die Laserquelle 1 mit fester Frequenz kann z. B. ein Argonionen-Laser mit einer Resonatorleistung von ca. 50 W sein, der einen Strahl mit einer Wellenlänge von 514,5 Nanometer liefert. Die Laserquelle 2 mit abstimmbarer Frequenz kann z. B. ein Farbstofflaser mit einer Resonatorleistung zwischen 1 und 20 W sein, wie z. B. ein Rhodamin-6G-Laser, dessen Wellen länge um einige Zehntel Nanometer variieren kann.The laser source 1 with a fixed frequency can, for. B. an argon ion laser with a resonator power of approximately 50 W, which delivers a beam with a wavelength of 514.5 nanometers. The laser source 2 with a tunable frequency can, for. B. a dye laser with a resonator power between 1 and 20 W, such as. B. a rhodamine 6G laser, the wavelength of which can vary by a few tenths of a nanometer.

Die Erfassung des Anti-Stokes-Strahls kann mit Hilfe einer Photomultiplierröhre 5 erfolgen, auf die der Strahl frei von Störlicht fällt, nachdem er einen Prismen- (P ₅) oder Gittermonochromator und ein Interferenzfilter 6, wie in Fig. 1 angegeben, durchlaufen hat.The detection of the anti-Stokes beam can be carried out with the aid of a photomultiplier tube 5 onto which the beam falls free of stray light after it has passed through a prism (P ₅ ) or grating monochromator and an interference filter 6 , as indicated in FIG. 1 .

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 findet bei der Raman-Spektroskopie in Gasen mit hoher Auflösung Anwendung. So erlaubt es diese Vorrichtung z. B., das Raman-Spektrum von Stickstoff bei Normaldruck mit einer Spektralauflösung zu untersuchen, die besser ist als 0,05 cm^-1.The device according to FIG. 1 is used in Raman spectroscopy in gases with high resolution. So this device allows z. B. to examine the Raman spectrum of nitrogen at normal pressure with a spectral resolution better than 0.05 cm ^-1 .

Wie in Fig. 1 enthält der Aufbau zur Anwendung der kohä renten Anti-Stokes-Raman-Streuung nach Fig. 2 einen Gas ionen-Laser als Laserquelle 1 mit fester Frequenz, deren Hohlraumresonator aus den Elementen M ₁, P ₁, M ₂ und M ₃ besteht, sowie einen Farbstofflaser als abstimmbare Laserquelle 2, deren Hohlraumresonator aus den Elementen M ₄, M ₅, P ₂, P ₁, M ₂ und M ₃ gebildet wird. Die se beiden Hohlraumresonatoren sind - wie bei der Vorrich tung nach Fig. 1 - durch das Dispersionsprisma P ₁ und die Spiegel M ₂ und M ₃ miteinander gekoppelt.As in Fig. 1, the structure for the application of the coherent anti-Stokes Raman scattering according to Fig. 2 contains a gas ion laser as a laser source 1 with a fixed frequency, the cavity of which consists of the elements M ₁ , P ₁ , M ₂ and M ₃ consists, and a dye laser as a tunable laser source 2 , the cavity of which is formed from the elements M ₄ , M ₅ , P ₂ , P ₁ , M ₂ and M ₃ . The se two cavity resonators are - as in the Vorrich device according to FIG. 1 - coupled by the dispersion prism P ₁ and the mirrors M ₂ and M ₃ .

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 weist einen Hilfslaser 7 auf, der aus einem zweiten Gasionen-Laser gebildet wird, dessen Hohlraumresonator von den Spiegeln M ₉ und M ₁₀ begrenzt ist und dessen Ausgangsstrahl I _p die optische Anregung der ab stimmbaren Laserquelle 2 gewährleistet. Mit Hilfe des Spiegels M ₁₁ wird der Strahl I _p zur abstimmbaren Laserquelle 2 abgelenkt.The device according to FIG. 2 has an auxiliary laser 7 , which is formed from a second gas ion laser, the cavity resonator of which is limited by mirrors M ₉ and M ₁₀ and the output beam I _p ensures the optical excitation of the tunable laser source 2 . With the help of the mirror M ₁₁ , the beam I _{p is} deflected to the tunable laser source 2 .

Dank des Hilfslasers 7 wird, verglichen mit der Vorrichtung der Fig. 1, die Leistung der Anti-Stokes-Welle der Frequenz W _AS um einen zwischen 30 und 100 liegenden Faktor erhöht. Dieses Ergebnis erklärt sich insbesondere aus der Tatsache, daß die Laserquelle 1 annähernd ohne Verluste arbeitet, da sie nicht für die optische Anregung der abstimmbaren Laserquelle 2 verwendet wird. Außerdem nimmt das Signal-Rausch- Verhältnis der erfaßten Anti-Stokes-Welle, im Vergleich zur Vorrichtung der Fig. 1, beachtlich zu, denn im Falle der Vorrichtung der Fig. 2 kann man die Intensität der beiden Wellen der Frequenz W _p und W _s stabilisieren, indem man die Ströme in den Entladeröhren der Glaslaser kontrolliert.Thanks to the auxiliary laser 7 , the power of the anti-Stokes wave of the frequency W _{AS is} increased by a factor between 30 and 100 compared to the device of FIG. 1. This result can be explained in particular by the fact that the laser source 1 operates almost without losses since it is not used for the optical excitation of the tunable laser source 2 . In addition, the signal-to-noise ratio of the detected anti-Stokes wave increases considerably compared to the device of FIG. 1, because in the case of the device of FIG. 2 the intensity of the two waves of the frequency W _p and W can be seen _s stabilize by controlling the currents in the discharge tubes of the glass lasers.

Bei der Vorrich tung gemäß Fig. 2 kann die Resonatorleistung der Laserquelle 1 zwischen 150 und 200 W liegen, und diejenige der abstimm baren Laserquelle 2 kann 3 bis 60 W betragen, je nach dem welcher Farbstoff benutzt wird.In the Vorrich processing of FIG. 2 may be the resonator power of the laser source 1 between 150 and 200 W, and that of the tuning cash laser source 2 may be 3 to 60 W, is used depending on which dye.

Dank ihrer hohen Leistungen kann der Aufbau zur Anwendung der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung nach Fig. 2 für die Untersuchung der Dichte- und Temperaturschwankun gen in gasförmigen Strömungen verwendet werden.Thanks to their high performance, the structure for applying the coherent anti-Stokes Raman scattering according to FIG. 2 can be used for the investigation of density and temperature fluctuations in gaseous flows.

Zu diesem Zweck hält man die Frequenz W _s der von den abstimm baren Laserquelle 2 ausgehenden Welle auf einem Festwert, der der Resonanz der Gasmoleküle der untersuchten Strömung in einem bestimmten Schwingungs-Rotationsniveau entspricht. Man beobachtet dann die Intensitätsänderungen der Anti- Stokes-Welle in Abhängigkeit von der Zeit. Man kann so die Änderung der Konzentration der Moleküle in dem Schwingungs-Rotationsniveau verfolgen, wenn sich der Druck oder die Temperatur ändert. For this purpose, the frequency W _s of the wave emanating from the tunable laser source 2 is kept at a fixed value which corresponds to the resonance of the gas molecules of the examined flow in a certain oscillation-rotation level. The changes in the intensity of the anti-Stokes wave as a function of time are then observed. The change in the concentration of the molecules in the vibrational rotation level can thus be followed when the pressure or the temperature changes.

Wie bei den vorhergehenden Ausführungen weist bei der Ausführung der Fig. 3 der Aufbau zur Anwendung der kohä renten Anti-Stokes-Raman-Streuung einen Gasionenlaser als Laserquelle 1 auf, deren Hohlraumresonator aus den Elementen M ₁, P ₁, M ₂ und M ₃ gebildet wird, und einen Farbstofflaser als abstimmbarer Laserquelle 2, deren Hohlraumresonator sich aus den Elementen M ₄, M ₅, P ₂, P ₁, M ₂ und M ₃ zusammen setzt. Diese beiden Hohlraumresonatoren sind durch das Dispersionspris ma P ₁ sowie die Spiegel M ₂ und M ₃ miteinander gekoppelt. Das in einer geeigneten Zelle 8 untergebrachte zu unter suchende gasförmige Medium wird in den beiden Hohlraumre sonatoren der Laserquellen 1 und 2 gemeinsamen optischen Weg M ₂, M ₃ gebracht.As in the previous embodiments has in the embodiment of Fig. 3, the structure for applying the kohä pensions anti-Stokes-Raman scattering a gas ion laser as the laser source 1, the cavity resonator of the elements M _1, P _1, M ₂ and M ₃ is formed, and a dye laser as a tunable laser source 2 , the cavity of which is composed of the elements M ₄ , M ₅ , P ₂ , P ₁ , M ₂ and M ₃ . These two cavity resonators are coupled together by the dispersion principle P ₁ and the mirrors M ₂ and M ₃ . The gaseous medium housed in a suitable cell 8 to be examined is brought into the two cavity resonators of the laser sources 1 and 2 common optical path M ₂ , M ₃ .

Wie im Falle der Fig. 1 erfolgt die Anregung der ab stimmbaren Laserquelle 2 durch die Intensität I _p des Ausgangs strahls des Gasionen-Lasers 1. Der Strahl der Intensität I _p wird mit Hilfe des Spiegels M ₁₁ auf das Dispersionsprisma P ₂ ge lenkt.As in the case of FIG. 1, the excitation of the tunable laser source 2 takes place through the intensity I _{p of} the output beam of the gas ion laser 1 . The beam of intensity I _p is directed to the dispersion prism P ₂ using the mirror M ₁₁ .

Auf dem optischen Weg M ₅, M ₂ der von der abstimmbaren Laserquelle 2 ausgehenden Welle der Frequenz W _s befinden sich vier Dis persionsprismen P₂, P₅, P₆, P₁, wobei die Dispersionskan ten der beiden äußeren Dispersionsprismen P ₂, P ₁ denjenigen der beiden mittleren Dispersionsprismen P ₅ und P ₆ gegenüberstehen. On the optical path M ₅ , M ₂ from the tunable laser source 2 wave of frequency W _s are four Dis persionsprismen P ₂, P ₅, P ₆, P ₁, the Dispersionskan th of the two outer dispersion prisms P ₂ , P ₁ face those of the two middle dispersion prisms P ₅ and P ₆ .

Dank dieser Prismen wird die Winkeldispersion kompen siert, und die beiden Wellen der Frequenz W _s und W _p blei ben im gesamten Abstimmbereich der abstimmbaren Laserquelle 2 kollinear.Thanks to these prisms, the angular dispersion is compensated, and the two waves of the frequency W _s and W _p remain collinear in the entire tuning range of the tunable laser source 2 .

Im Falle der Fig. 3 erfolgt die Frequenzänderung der ab stimmbaren Laserquelle 2 über ein Lyot-Filter 9 und ein Fabry- P´rot-Etalon 10, die im optischen Weg der Spiegel M ₄ und M ₁₂ aufgestellt sind. Auf diese Weise werden der Astigmatis mus und die Koma korrigiert.In the case of FIG. 3, the frequency change of the tunable laser source 2 takes place via a Lyot filter 9 and a Fabry-P'rot etalon 10 , which are set up in the optical path of the mirrors M ₄ and M ₁₂ . In this way, astigmatism and coma are corrected.

Das nach dem Durchlaufen der Probe erhaltene Anti-Stokes- Signal der Frequenz W _AS wird mit Hilfe eines Doppelmono chromators 13 von den beiden Wellen der Frequenz W _p und W _s getrennt und darauf von einem mit einem Photonenzähler 15 ver bundenen Photomultiplier 14 erfaßt. Das Raman-Streuspektrum der Probe 8 wird mit Hilfe eines Registriergerätes 16 aufgenommen.The anti-Stokes signal of the frequency W _AS obtained after passing through the sample is separated from the two waves of the frequency W _p and W _s by means of a double mono chromator 13 and then detected by a photomultiplier 14 connected to a photon counter 15 . The Raman spread spectrum of sample 8 is recorded with the aid of a registration device 16 .

Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 ist für die Registrierung der Raman-Spektren von verschiedenartigen gasförmigen Proben besonders geeignet, da es die dank der Dispersionsprismen P ₂, P ₅, P ₆ und P ₁ erzielte Kompensierung der Dispersion erlaubt, die Wellenlänge des von der Laserquelle 2 ausgehenden Strahls in dem gesamten Emissionsbereich des verwendeten Farbstoffs zu variieren, d. h. in einem Bereich von über 10 nm bei einem Farbstoff wie Rhodamin 6G. The device according to FIG. 3 is particularly suitable for the registration of the Raman spectra of various types of gaseous samples, since the dispersion compensation achieved thanks to the dispersion prisms P ₂ , P ₅ , P ₆ and P ₁ allows the wavelength of the laser source 2 outgoing beam to vary in the entire emission range of the dye used, ie in a range of over 10 nm with a dye such as Rhodamine 6G.

Die in Fig. 4 abgebildete Vorrichtung ist mit derjenigen der Fig. 3 bis auf die Anregung der abstimmbaren Laserquelle 2 identisch, die mit Hilfe eines Hilfslasers 7 (Gasionen-Laser) durchgeführt wird, wie im Falle der Ausführung gemäß Fig. 2.The device shown in FIG. 4 is identical to that of FIG. 3 except for the excitation of the tunable laser source 2 , which is carried out with the aid of an auxiliary laser 7 (gas ion laser), as in the case of the embodiment according to FIG. 2.

Die Vorrichtung entsprechend Fig. 4 verbindet infolge dessen die Vorteile der Vorrichtung gemäß Fig. 2 (Leistungs gewinn) mit denjenigen der Vorrichtung gemäß Fig. 3 (Kom pensierung der Dispersion).The device according to FIG. 4 consequently combines the advantages of the device according to FIG. 2 (performance gain) with those of the device according to FIG. 3 (compensation of the dispersion).

Die Vorrichtung entsprechend Fig. 4 kann daher für alle Messungen und Analysen verwendet werden, die mit Hilfe der Vorrichtungen gemäß Fig. 1 bis 3 durchgeführt werden können, insbesondere aber für die Aufnahme der Raman- Spektren in einem großen Wellenlängenbereich und für die Untersuchung der Dichte- und Temperaturänderungen eines gasförmigen Mediums in Abhängigkeit von der Zeit.The device according to FIG. 4 can therefore be used for all measurements and analyzes that can be carried out with the aid of the devices according to FIGS. 1 to 3, but in particular for recording the Raman spectra in a large wavelength range and for examining the density - and temperature changes of a gaseous medium as a function of time.

Die beschriebenen Vorrichtungen können auch zur Untersuchung eines flüssigen Mediums durch kohärente Anti- Stokes-Raman-Streuung verwendet werden, vorausgesetzt, daß dieses Medium genügend durchlässig für die in Frage kommenden Wellenlängen ist.The devices described can also be used Examination of a liquid medium by coherent anti Stokes Raman scattering can be used, provided that this medium is sufficiently permeable to that in question coming wavelengths is.

Claims

1. Device for examining a permeable gaseous or liquid medium by coherent anti-Stokes Raman scattering, consisting of at least two laser sources, one of which is tunable in frequency and the other is fixed, first optical means to a col linear To enable superimposition of the waves emitted by the two laser sources, and second optical means for separating and means for detecting the anti-Stokes wave scattered by the medium to be examined, the medium to be analyzed being located in at least one of the cavity resonators, characterized that the at least two laser sources CW laser sources, in that the cavity resonators are coupled to that which is to be examined medium in these mutually coupled cavity resonators, and that the first optical means are designed to maintain the kollinea ren overlay in the entire tuning range of a laser source .

2. Device according to claim 1, characterized in that a Fabry-P´rot etalon ( 4 ) is arranged between a deflecting mirror (mirror M ₆ ) and a dispersion prism (P ₂ ) for coupling the pump light into the tunable laser source.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that an auxiliary laser ( 7 ) is provided with a predetermined frequency, the output beam (I _p ) causes the optical excitation of the tunable laser source ( 2 ).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the tunable laser source ( 2 ) is a tunable dye laser.

5. The device according to claim 1, characterized in that the laser source ( 1 ) with a fixed frequency is a gas ion laser.

6. The device according to claim 3, characterized in that the auxiliary laser ( 7 ) is a gas ion laser.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that optical means (dispersion prisms P ₂ , P ₅ , P ₆ , P ₁ ) are provided to compensate for the angular dispersion of the emitted by the tunable laser source ( 2 ) wave , so that the excitation waves remain collinearly superimposed during the tuning of the tunable laser source.

8. The device according to claim 7, characterized in that the optical means (dispersion prisms P ₂ , P ₅ , P ₆ , P ₁ ) comprise four dispersion prisms in the path between the laser source ( 1 ) with a fixed frequency and the tunable laser source ( 2 ), the dispersion edges of the two outer dispersion prisms (P ₂ , P ₁ ) facing those of the two middle dispersion prisms (P ₅ , P ₆ ).

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the frequency change of the tunable laser source ( 2 ) via a Lyot filter ( 9 ) and a Fabry-P´rot etalon ( 4 ).