DE2937352B1 - Multipass-Anordnung - Google Patents

Description

• Die Hohlspiegel werden bevorzugt durch Galvanisieren oder durch Aufdampfen erzeugt und können sphärisch oder asphär isch ausgebildet sein.
• Bei einer vorteilhalten Weiterbildung der Erfindung weist das Material der transparenten Körper einen größeren Brechungsindex auf als das zu untersuchende Medium. hierdurch ergibt sich eine Verkleinerung des Meßaufbaus in der Weise, daß der Weg der Strahlung im Medium von der optischen Achse der Spiegel abgelenkt ist, wodurch sich die effektive Weglänge vergrößert.
• Bei geeigneter Wahl der optischen Eigenschaften und Abmessungen von transparenten Körpern und Küvette werden die Küvettenfenster mit den ebenen Flächen der Körper in Immersionskontakt gebracht, so daß der Strahlungsverlust durch Reflexionen an den Grenzflächen der Mcdien verringert ist.
• Für klinische Anwendungen ist eine vorteilhafte Anwendbarkeit dadurch gegeben, daß die Küvetten entweder aus Kunstsìoffmateria, als Wegwerfartikel ausgeführt werden könren oder aber bei einer Herstellung aus Glas die Möglichkeit der einfachen Reinigung und damit Sterilisierbarkeit gegeben ist.
• Sowohl für Anwendungen, bei denen die Primärstrahlung in ihrer Hauptrichtung aufgenommen wird, nachdem sie das zu untersuchende Medium durchlaufen hat, als auch für Anwendungen, bei denen aufgrund verschiedener physikalischer Erscheinungen (Sekundär-)Strahlung außerhalb der genannten Hauptrichtung aufgenommen wird, bieten sich zwei vorteilhafte Ausführungen: 1. Die aus der DE-OS 27 23 939 bekannte Anordnung, bei der Jie verwendeten Hohlspiegel gleiche Brennweite haben und ihr Abstand im Übergangsbereich zwischen konfokal und konzentrisch gewählt ist. Die Einstrahlung erfolgt dabei schief zur optischen Achse, so daß sich der in der genannten Druckschrift wiedergegebene Strahlenverlauf ergibt.
• 2. Es werden Spiegel unterschiedlicher Brennweite gewählt, die konfokal angeordnet sind, wobei sich die Möglichkeit bietet, den Lichtstrahl, der sich asymptotisch der optischen Achse nähert, theoretisch beliebig häufig in der Anordnung zu reflektieren.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels unter Einbeziehung gegebenenfalls in den Unteransprüchen angegebener vorteilhafter Weiterbildung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Fig.2 ein im Zusammenhang damit verwendbares Kegelaxicon und Fig. 3 ein stattdessen verwendbares Parabelaxicon.
• Bei der in der Figur schematisch (vergrößert) dargestellten Anordnung ist eine Quelle 1 vorgesehen, die die zur Untersuchung des Mediums benutzte optische Strahlung, beispielsweise Laser-Strahlung, liefert. Das Medium selbst tritt in eine Durchflußküvette 2 an einem ersten Stutzen 3 in Pfeilrichtung ein und verläßt die Küvette an einem weiteren Stutzen 4. Die Mittel zum Beeinflussen des kontrollierten Durchtritts des Mediums durch die Küvette sind in der schematischen Darstellung nicht wiedergegeben, es können dabei jedoch bekannte Anordnungen Verwendung finden.
• In Immersionskontakt mit zwei facettenartigen planparallelen Endfenstern 5 und 6 befinden sich zwei für die Strahlung transparente Körper (Linsen) 7 und 8.
• die an ihren den Endfenstern 5 und 6 zugewandten Flächen plan geschliffen sind, während die gegenüberliegenden Flächen jeweils konvex sind. Der Immersionskontakt wird dabei über eine - in der Figur nicht dargestellte flüssige Zwischenschicht aufrechterhalten, deren Brechungsindex demjenigen der benachbarten Medien möglichst angenähert ist.
• Die konvexen Flächen sind mit reflektierendcn Schichten 9 und 10 versehen, die durch Aufdampfen aufgetragen wurden. Diese reflektierenden Schichten bilden Hohlspiegel auf den linsenförmigen Körpern, wobei die optischen Achsen (strichpunktiert dargestellt) und Brennpunkte der Anordnungen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zusammenfallen. Die aus der Quelle 1 austretende Strahlung fällt in die Küvette durch ein in der reflektierenden Schicht 9 vorgesehenes Fenster ein und durchdringt den das zu untersuchende Medium enthaltenden Raum geradlinig (für den Fall des Einfalls parallel zur strichpunktiert dargestellten optischen Achse der Anordnung) und wird durch die Spiegelschicht 10 reflektiert.
• Der reflektierte Strahl wird beim Übergang vom optisch dichteren Medium des Körpers 8 und der Küvette 2 in das zu untersuchende - optisch dünnere - Medium im Innenraum der Küvette vom Lot, d. h. der Parallelen zur optischen Achse, weg gebrochen, so daß eine Veriängerung des innerhalb des zu untersuchenden Mediums zurückgelegten Wegs eintritt.
• Der optisch wirksame Weg eines Lichtstrahls wird nämlich nicht allein durch den geometrischen Weg d bestimmt, sondern durch das Produkt n d, wobei nder Brechungsindex des Mediums ist, in dem sich der Strahl bewegt. Wenn also wie bei der erfindungsgemäßen Multipaß-Anordnung ein Teil des Weges des Lichtstrahls durch ein Medium mit höherem Brechungsindex läuft (im vorliegenden Fall ist das das Material der linsenförmigen Körper), so kann bei gleicher Geometrie diese Verlängerung des Lichtweges entweder durch entsprechende Verringerung des Abstandes der beiden Körper oder durch Änderung der Krümmungsradien der Spiegel kompensiert werden.
• Später tritt wieder eine Reflexion an der Schicht 9 ein, woraufhin der Strahl wiederum parallel zur optischen Achse in die Küvette zurückreflekEert wird. Bei den nachfolgenden erneuten Reflexionsvorgängen verschieben sich diejenigen Wege der Strahlung, die parallel zur optischen Achse verlaufen, immer mehr zu dieser hin, so daß im Grenzfall die Strahlung auf dieser Achse in sich selbst zurückgeworfen wird. Damit kann eine vollständige Ausnutzung der Strahlung für solche Effekte erfolgen, bei denen nicht die Strahlung selbst sondern deren physikalische Auswirkungen, wie Streulichteffekte, Fluoreszenz etc. aufgefangen werden. (Mittel zum Auffangen einer derartigen Sekundärstrahlung sind in der Zeichnung nicht wiedergegeben und befinden sich bei der praktischen Ausführung zweckmäßigerweise in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene) Im Zusammenhang mit der Messung von Sekundärstrahlung bieten sich neben der Raman-Spektroskopie für die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhafte Anwendungen bei der Messung von Streulicht zur Bestimmung der Menge und/oder der Größe von Luftverunreinigungspartikeln an (Nephelometrie in Gasen oder Dämpfen).
• Andere Anwendungen sind empfindliche Rauchmelder oder Einrichtungen zur Bestimmung des Aerosolgehalts von natürlichen bzw. künstlichen Gasgemischen oder Dämpfen.
• Soll die Primärstrahlung aufgefangen werden, nachdem sie einige Male das zu untersuchende Medium durchlaufen hat, so ist dafür ein weiteres Fenster 12 In einer der verspiegelten konvexen Flächen vorzusehen, wobei eine Aufnahmeeinrichtung 13 für die Strahlung (gestrichelt dargestellt) hinter diesem Fenster vorzusehen ist.
• Ebenso kann der Strahl bei der unter 1. angegebenen Ausführungsform auch durch das Eintrittsfenster wieder austreten, was im allgemeinen unter einem endlichen Winkel zur Einstrahlungsrichtung erfolgt. Damit ist eine Selektierung des Strahls und ein Absorptionsnachweis in besonders einfacher Weise möglich.
• Während bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung die Brennpunkte der beiden Hohlspiegel im Schnittpunkt der dargestellten Strahlen mit der optischen Achse zusammenfallen und der linke Spiegel eine kleinere Brennweite aufweist. wird bei einer anderen - nicht dargestellten - Ausführungsform der rechte Hohlspiegel durch einen solchen ersetzt, der in seinen Abmessungen und optischen Eigenschaften dem links dargestellten entspricht. Die Brennpunkte fallen dabei nicht mehr zusammen und ein Strahl, der wie in der Zeichnung dargestellt einfällt, würde nicht mehr zur optischen Achse hin konvergieren. In diesem Fall würde durch Änderung der Richtung der Quelle 1 für die optische Strahlung eine schiefe Einstrahlung in Bezug auf die optische Achse eingestellt, so daß sich ein Strahlenverlauf ergibt, wie er in der DE-OS 27 23 939 wiedergegeben ist. Hierbei bleiben die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung, daß nämlich dadurch, daß die Strahlung im Untersuchungsraum vom Lot weggebrochen wird, ein vergrößerter Weg im zu untersuchenden Medium erzeugt wird, voll erhalten.
• Der Abstand der Hohlspiegel wird bei dieser Anordnung in den Zwischenbereich von konfokal bis konzentrisch gelegt.
• Für die Gestaltung der Küvette 2 wurden eine Reihe von vorteilhaften Konstruktionsmerkmalen gefunden, welche eine zweckmäßige Handhabung gewährleisten.
• So ist eine zylindrische Durchflußküvette günstig, wobei die Zylinderachse im wesentlichen mit der optischen Achse der Anordnung zusammenfällt. Im Bereich der die Spiegel tragenden Körper 7 und 8 sind facettenartige Fenster angeformt, welche die Deckflächen des Zylinders bilden. Die Wandstärke der Küvette ist unter Berücksichtigung der optischen Eigenschaften ihres Materials so abgestimmt. daß sie zusammen mit den Körpern 7 und 8 durch den durch die reflektierenden Schichten 9 und 10 gebildeten Hohlspiegel eine optische Anordnung bildet, welche den gewünschten Strahlenverlauf erzeugt.
• Ist für die Untersuchung von Gasen eine Bcheizung der Küvette 2 erforderlich, so erfolgt sie zweckmäßigerweise durch eine aufgetragene, elektrisch leitfähige, transparente Schicht, welche als Heizwiderstand dient.
• Eine Stromquelle 15 für den Heizstrom ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.
• Die Küvette läßt sich bevorzugterv eise als Wegwerfartikel ausführen, wodurch eine sterile Anwendung insbesondere im klinischen Bereich gewährleistet ist.
• Eine derartige Einwegküvette wird aus transparentem Kunststoff gefertigt, auf den sich die leitfähige transparente Schicht ohne weiteres galvanisch aufbringen läßt.
• Für die Absorptionsspektroskopie - vorzugsweise im Infrarot- aber auch im sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich - läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung günstig einsetzen. Als Werkstoffe für für Strahlung im Infrarotbereich durchlässigen Bauelemente kommt dabei Ge, Se. Si, KRS5, KRSb, KBr, AgCI, IRTRAN, Saphir etc. oder auch Chalkogenide-glass (Literaturbezeichnungen) in Betracht. Als Werkstoff für die Küvette wird - mit Berücksichtigung des Spektralbereichs der verwendeten Strahlung - vorzugsweise ein Co-Polymer aus Polyäthylen und Polypropylen (Blend 97/3) verwendet.
• Die für eine Reihe von Anwendungen zur Erzielung aussagekräftiger Ergebnisse erforderliche Rotationssymmetrie des Strahlenverlaufs für das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel wird bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung mittels eines sogenannten »Axikons« durch Transformation des Strahls zu einem Hohlzylinder mit lichterfülltem Mantel wiederhergestellt, wobei entweder ein Kegelaxicon (F i g. 2) oder ein Axicon mit aus Parabelsegmenten durch Rotation hervorgehenden Reflexionsflächen (F i g. 3) vorteilhaft verwendbar ist. Das einfallende Strahlenbündel 16 fällt dabei auf eine erste ringförmige Spiegelfläche 17 (bzw. 17' beim Parabel-Axikon) und wird von dort in radialer Richtung nach außen -bezogen auf die Symmetrieachse - abgelenkt. Eine weitere ringförmige Spiegelfläche 18 (bzw. 18') lenkt das Strahlenbündel in eine Richtung parallel zur Einfallsrichtung ab, so daß sich ein ringförmig symmetriertes Strahlenbündel ergibt. Das Fenster 11 in F i g. 1 erhält dann zweckmäßigerweise - in Anpassung an das Strahlenbündel 16 - ringförmige Gestalt.
• Weitere Details der Erfindung und der dargestellten Ausführungsbeispiele ergeben sich aus dem in Kopie beigefügten, bisher unveröffentlichten Manuskript.

Claims (12)

1. Patentansprüche: 1. Multipaß-Anordnung, insbesondere zur Verwendung bei der Absorptions-, Fluoreszenz- und Raman-Spektroskopie sowie für die Nephelometrie, mit einander zugewandten Hohlspiegeln, zwischen denen eine Mehrfachreflexion der benutzten optischen Strahlung erfolgt, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h ne t, daß die Spiegel als Schichten (9, 10) auf den konvexen Flächen von plan-konvexen für die Strahlung im wesentlichen transparenten Körpern (7, 8) aufgebracht sind, mit ihren ebenen Flächen einander zugewandt sind.
2. 2. Multipaß-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der für die Strahlung im wesentlichen transparenten Körper (7, 8) einen größeren Brechungsindex aufweist als das zu untersuchende Medium.
3. 3. Multipaß-Anordnu,lg nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexen Flächen gleiche Krümmungsradien aufweisen und die Körper (7, 8) im Übergangsbereich zwischen konfokal bis konzentrisch angeordnet sind, wobei die Einstrahlung schief zur optischen Achse erfolgt.
4. 4. Multipaß-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die konvexen Flächen unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen und die Körper (7, 9) konfokal angeordnet sind, wobei die Einstrahlung parallel zur optischen Achse erfolgt.
5. 5. Multipaß-Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Küvette (2) zur Aufnahme des zu untersuchenden Mediums mit zwei planparallelen Endfenstern (5, 6) vorgesehen ist, deren Abmessungen und optische Eigenschaften bezüglich der Strahlung an die Geometrie der Anordnung derart angepaßt sind, daß wenn die Küvette (2) ihre Sollposition innerhalb der Anordnung einnimmt, der Weg der Strahlung dem Sollweg entspricht.
6. 6. Multipaß-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endfenster (5, 6) der Küvette (2) sich mit je einem der Körper (7 bzw. 8) in Immersionskontakt befinden.
7. 7. Multipaß-Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (2) zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Achse des Zylinders im Betriebszustand im wesentlichen mit der optischen Achse der Anordnung zusammenfällt und die planparallelen Endfenster (5, 6) die Deckflächen des Zylinders bilden.
8. 8. Multipaß-Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (2) als Durchflußküvette ausgebildet ist.
9. 9. Multipaß-Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet. daß die Küvette (2) mit einer als Heizwiderstand ausgebildeten elektrisch leitenden Schicht (14) versehen ist.
10. 10. Multipaß-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Axicon zur Wiederherstellung der Rotationssymmetrie des Strahlenverlaufs des einfallenden Lichtstrahls durch dessert Transformation in die Form eines Hohlzylinders mit lichterfülltem Mantel vorgesehen ist.
11. 11. Multipaß-Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Axicon aus zwei für die optische Strahlung reflektierend wirkenden Flächen (17, 17', 18, 18') besteht. die durch Rotation einer einen einfallenden Lichtstrahl zwischen Ein-und Austrittsort durch Reflexion parallel in Bezug auf eine Achse nach außen versetzenden Anordnung um eire Achse gebildet werden.
12. 12. Multipaß-Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen durch Rotation von Geraden- oder Parabelteilen entstehen.

    Die Erfindung betrifft eine Multipaß-Anordnung, msbesondere zur Verwendung bei der Absorptions-, Fluoreszenz- und Raman-Spektioskopie sowie für die Nephelometrie, mit einander zugewandten Hohlspiegeln. zwischen denen eine Mehrfachreflexion der benutzten optischen Strahlung erfolgt.

    Multipaß-Anordnungen sind für die genannten Anwendungen seit längerem bekannt. Der erzielbare sogenannte »Multipaß- Faktor«, der die Nachweisempfindlichkeit der Anordnung heraufsetzt, beträgt unter Berücksichtigung der Reflexions- und Streuverluste bei in der Praxis realisierbaren Anordnungen ungefähr 5 bis 10.

    Ein Schritt zur Verbesserung des Multipaß-Faktors bei der Anwendung bei Atemgasmessungen unter Ausnutzung des Raman-Effektes ist aus der DE-OS 27 23 939 bekannt.

    Dabei besteht jedoch der Nachteil, daß bei agressiven Dämpfen die Spiegelschichten der Multipaß-Ar.ordnungen in Mitleidenschaft gezogen werden.

    Weiterhin ist aus der IJS-PS 37 04 951 eine Anordnung bekannt, bei der das zu untersuchende Medium in eine Meßküvette eingebracht wird, die es von den Spiegeln fernhält.

    Hier besteht jedoch der Nachteil, daß kein Betrieb mit dreidimensionaler Strahlführung möglich ist, und -obgleich der Strahlenverlauf von dem in der Küvette befindlichen Medium unabhängig ist - beim Betrieb mit Toleranzen aufweisenden Billigküvetten vor jeder Messung nach Wechsel der Küvette lustage- und Einstellarbeiten vorzunehmen sind, so daß bei aufzunehmenden Meßreihen bzw. dem Betrieb an unterschiedlichen Meßorten eine einfache Handhabbarkeit im praktischen Betrieb nicht gewährleistet ist. Außerdem sind dabei auch die Meßanordnungen selbst untereinat,-der nicht austauschbar.

    Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Multipaß-Anordnung der obengenannten Gattung anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und den Bedürfnissen des praktischen Betriebs bei möglichst kleiner Bauform entspricht. Bei klinischen Anwendungen kommt dazu, daß die Anordnung leicht sterilisierbar sein muß.

    Die erfindungsgemäße Lösung weist den Vorteil auf, daß die empfindlichen Spiegel einerseits vor Korrosion geschützt sind und andererseits zwischen den Linsen bildenden transparenten Körpern Küvetten mit planparallelen Endfenstern eingebracht werden können, die es gestatten, bei Einhaltung vorbestimmter Abmessungen und optischer Eigenschaften eiiien Austausch des das zu untersuchende Medium aufnehmenden Behälters bei Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ohne größeren Aufwand schnell vorzunehmen.