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Vorrichtung mit gefaltetem Lichtweg für spektroskopi-
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sche Untersuchungen oder fotochemische Prozesse.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit gefaltetem Lichtweg für
spektroskopische Untersuchungen oder fotochemische Prozesse mit einem absorbierenden
Medium.
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Bei spektroskopischen Untersuchungen oder bei fotochemischen Reaktionen
an strömenden Medien, insb. Gesstrahlen mit engem Querschnitt indschweder Absorption
wird nur hawpEm wid nur ein geringer Teil des eingestrahlten Lichts ausgenützt.
Dieses Problem tritt vor allem auf, wenn gepulste Laser als Lichtquellen verwendet
werden.
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Zur Aufnahme der Absorptionsspektren schwach absorbierender Gase werden
seit langem gefaltete Lichtwege verwendet (U. White: Journ. of the Optical Society
of America, 32 (1942), 285 und D. Harriot, H. Kogeinik, R. Kompfner: Appl. Opt.
2 (1964), 523). Bei flu,oreszierenden Absorbern ist es zweckrnäßig,nicht die Absorption,
sondern das von der Probe emittierte Licht, das der absorbierten Leistung proportional
ist, zu messen. In diesem Fall sind die in den angegebenen Veröffentlichungen beschriebenen
Anordnungen ungünstig, weil bei diesen Anordnungen das Fluoreszenzlicht aus einem
großen Volumen kommt, das nur schwer auf den Detektor abgebildet werden kann.
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Auch wein der Absorberein kleines Volumen einnimmt, z.B.3.
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ein enger Gasstrahl, ind dein obigen Veröffentlichungen angegebenen
Anordnungen nicht brauchbar. Wenn in diesem Fall als Lichtquelle ein kontinuierlich
strahlender Laser verwendet wird, kann man den Absorber in den
Laserresonator
einbringen. Die Auskopplung aus dem Laserresonator darf dabei nur schwach sein.
Die auf diese Weise entstehende hohe Leistung im Laserresonator führt zu einer erwünschten
starken Fluoreszenz. Wenn Jedoch in diesem Fall gepulste Laser hoher Verstärkung,
insbesondere Farbstofflaser mit N2-Lasern als Pulsquelle, verwendet werden, bringt
es keinen Vorteil,den Absorber in den Laserresonator einzubringen, weil diese Laser
nur bei starker Lichtauskopplung aus dem Laserresonator betrieben werden können.
Die im Laserre-sonator erzielbare Leistung ist daher--verleichbar mit-der ausgekoppelten
Leistung.
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Auch wenn der Absorber in einen extern aufgestellten Resonator hoher:GUte
eingebracht wird, erreicht man bei Verwendung eines gepulsten Lasers keine -gute.
Lichtausnützung, weil seine Einschwingzeit vergleichbar ist mit der Dauer des Laserpulses.
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Darüber hinaus muß dieser extern aufgestellte Resonator beim Abstimmen
der Lichtquellen stets auf Resonanz nachgestellt werden. Zudem ist die Anpassung
des eingestrahlten Modus an den Resonator schwierig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art anzugeben, mit der auch bei Verwendung von Proben mit kleinem Volumen
und schwacher Absorption, insbesondere -Gasstrahlen mit engem Querschnitt, eine
gute Ausnützung des eingestrahlten Lichts erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird erfinaungsgemäß dadurch gelöst, daß sie aus zwei
Linsen und zwei totalreflektierenden Prismen als Umlenkspiegel oder aus zwei Linsen
und zwei tot a lreflektierenden Tripelspiegeln als Umlenkspiegel
besteht,
wobei der Scheitel mindestens eines Prismas oder Tripelspiegels etwas gegen die
optische Achse der Linsenkombination verschoben ist.
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Bei dieser Vorrichtung wird das Licht nach dem ersten Durchgang durch
den Absorber umgelenkt und zu wiederholten Malen durch den Absorber geschickt. Auf
diese Weise können mindestens 20 Durchgänge des Lichts durch den Absorber erzielt
werden, wenn die Reflesionsverluste an den optischen Bauteilen durch Entspiegeln
klein gehalten werden. Da die einzelnen Lichtwege sich nur im Absorber überlappen,
entstehen keine Probleme bei der Einstrahlung durch Interferenz zwischen hin-und
zurücklaufenden Wellen (im Gegensatz zu einem optischen Resonator). Da mit dieser
Vorrichtung Licht in zahlreichen Durchgängen durch ein kleines Volumen geschickt
werden kann, kann auch bei schwach absorbierenden Proben in Gestalt eines engen
Gasstrahls ein relativ hoher Anteil des eingestrahlten Lichts absorbiert werden.
Die Vorrichtung entspricht einer periodischen Linsenleitung. Sie ist leicht zu realisieren
und stellt keine hohen Anforderungen an Qualität und Justierung der Bauteile. Vorteilhaft
werden also alle optischen Flächen entspiegelt, bei denen das Licht unerwünschte
Verluste durch ungewollte Reflexion erleiden würde.
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In einer Ausbildung der Erfindung haben die beiden Linsen gleiche
Brennweite und sind etwa konfokal aufgestellt. Vorteilhafterweise betragen de zwei
LidsSegezwischen den beiden Linsen jeweils etwa die 2-fache iinstnnte.
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Günstig ist es, wenn das eingestrahlte Lichtbündel an einen Modus
der Vorrichtung angepaßt ist. -Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Anpassung
an den Grundmodus der Vorrichtung vorgenommen wird.
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In jedem Fall ist es vorteilhaft, wenn das Lichtbündel unter einem
solchen Winkel zur optischen Achse eingestrahlt wird, daß ein geschlossener Lichtweg
erzielt wird. Interferenzstreifen in dem Volumen, in dem sich die Lichtbündel überlappen,
lassen sich dadurch vermeiden, daß der Lichtweg für einen vollständigen Durchgang
ebenso lang ist, wie der von einem gepulsten Laser ausgesendete Wellenzug.
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Durch geringe Fehlanpassung des eingestrahlten Lichtstrahls an einen
Modus der Vorrichtung kann wahlweise eine große oder eine kleine Strahltaille zwischen
die beiden Linsen gebracht werdenO Eine solche Fehlanpassung hängt zwar von der
l$ellenlinge ab, da sie aber relativ unkritisch ist, wie die Experimente zeigen,
braucht diese Fehlanpassung vorteilhafterweise beim Abstimmen des Lasers nicht gewandert
zu werden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher beschrieben0 Fig.1 zeigt das Schema des Aufbaues einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Fig.2 zeigt eine periodische Linsenleitung, die zur Berechnung der
Eienschaften einer Vorrichtung nach Fig.1 dient.
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Fig.3 erläutert die Anpassung eines Lichtstrahls an eine erfindungsgemäße
Vorrichtung.
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Fig.4 zeigt eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Fig.1 zeigt das Schema des Aufbaues einer erfindungs-
gemäßen
Vorrichtung. Diese Vorrichtung besteht aus zwei Linsen gleicher Brennweite f, die
etwa konfokal aufgestellt sind, und zwei totalreflektierenden Prismen, die als Winkelspiegel
arbeiten. Der Abstand der Prismen von den Linsen. wird so eingestellt, daß der Lichtweg
Linse/Prisma/Linse etwa die doppelte Brennweite 2f beträgt. Der Scheitel mindestens
eines Prismas ist etwas gegen die optische Achse der Linsenkombination verschoben.
Statt der Dachkantprismen können auch Tripelspiegel verwendet werden, die keinerlei
Justierung benötigen. Wird ein Lichtbündel parallel zur optischen Achse eingestrahlt,
so entsteht der in Fig.1 gezeichnete gefaltete Lichtweg.
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Diese Vorrichtung entspricht einer periodischen Linsenleitung, die
mit den üblichen Rechenmethoden (H. Eogelnik, Bell Syst. Techn. J. 44 (1965), 455-494)
untersucht werden kann. Insbesondere bildet diese Vorrichtung Moden aus. Bei geeigneter
Anpassung des eingestrahlten Lichtbündels an den Grundmodus und richtiger Justierung
der optischen Bauteile liegen die Strahltaillen in der Mitte zwischen den beiden
Linsen und in den Umkehrprismen. In dem Volumen, in dem sich die Bündel überlappen,
entsteht ein komplexes System von Interferenzstreifen, die aber die Messung nicht
stören.
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Sie lassen sich bei Verwendung eines gepulsten Lasers dadurch vermeiden,
daß der Lichtweg für einen vollständigen Durchgang ebenso lang ist wie der vom Laser
ausgesendete Wellenzug. Im Falle eines Farbstofflasers mit N2-Laser als Pumpquelle
sind etwa 2 m ausreichend. Das ist konstruktiv noch durchaus realisierbar; die Länge
des ganzen Aufbaues beträgt dann ca. 1 m Die Vorrichtung nach Fig.1 ksun zur Berechnung
der Eigenschaften dieser Vorrichtung durch die in Fig.2
gezeigte
periodische Linsenleitung ersetzt werden. Der Lichtweg in den Prismen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei diese Prismen den Brechungsindex n aufweisen, ist durch die schraffierten
Bereiche in Fig.2 dargestellt. Der Lichtweg in den Prismen jistunabhärgig vom Abstand
x von der optischen Achse immer gleich groß. Der Strahlversatz, der bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung durch das Verschieben eines Prismas entsteht, spielt für die Berechnung
der Eigenschaften dieser Vorrichtung keine Rolle.
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Der in Fig.2 gezeigten periodischen Linsenleitung läßt sich, wie in
der zitierten Veröffentlichung von H. Eogelnik gezeigt worden ist, eine Matrix
zuordnen. Die Achse eines Lichtbündels in einer Bezugsebene der optischen Anordnung
nach Fig.2 wird durch die Matrix
beschrieben. x' hat dabei den Wert von tgα, wobei der Winkel s der stumpfe
winkel zwischen optischer Achse und der Achse des Lichtbündels ist. Die Matrix
des Strahls in der Ausgangsebene der Linsenleitung ist das Produkt aus der Matrix
des Strahls in der Eingangsebene und der Matrix der Linsenleitung:
Die Matrix einer periodischen Linsenleitung aus m Linsen der Brennweite
f, wobei der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Linsen d beträgt. lautet:
| 1 [sin m# - sin(m-1 )#] [d sin m#] |
| SL =##### [- 1/f sin m#] [(l-d/f) sin m# - sin(m-1)#] |
mit cos# = 1- d/2f.
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Der Winkel o ist allein durch die Brennweite f und den Abstand d,
den je zwei aufeinanderfolgende Linsen der periodischen Linsenleitung aufweisen,
festgelegt.
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Die Brennweite fm der Linsenleitung ist f = f sin# m sin m# .
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Der Fachmann kann leicht nachrechnen, daß auch für den Fall d # 2f
geschlossene Lichtwege möglich sind, wenn die Einstrahlung des Lichts unter einem
geeigneten Winkel zur optischen Achse geschieht.
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Ein Gauß'scher Strahl kann durch einen komplexen Strahlparameter q
dargestellt werden (vergleiche die Veröffentlichung von H. Eogelnik): 1 = ( 1) -
j (#) .
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q R #w2 R ist der Krümmungsradius der Lichtwellen in einer BezugsebenG
und w ist der 1 Radius der Lichtintensität in dieser Bezugsebene. # ist die Wellenlänge
dieses Strahls. Wird ein Strahl mit dem Parameter q1 in die periodische Linsenleitung
eingestrahlt, so lautet der Strahlparameter in der Ausgangsebene
Aq1
+ B q2 = Cq1 + D .
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Ist q1 ein Modus der Linsenleitung9 so ist q2 = q1 = 9m mit 1 1 sin
# qm = - 2f + j d .
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Bei geringer Fehlanpassung gilt näherungsweise
Die Größen w2 und R2 ändern sich periodisch. Am übersichtlichsten ist der konfokale
Fall, für den d = 2f und damit Q = n/2 gilt. Wegen der periodischen Änderung der
Größen w2 und R2 folgt Jeweils auf eine große eine kleine Strahltaille. Diese Eigenschaft
bleibt aber auch bei dem nichtkonfokalen Fall d # 2f erhalten. Durch Fehlanpassung
kann also wahlweise eine große oder eine kleine Strahltaille zwischen die beiden
Linsen gebracht werden.
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Für die Anpassung mit Hilfe einer Linse der Brennweite f gelten für
die Fleckgrdße und die Abstände folgende Beziehungen (siehe Fig.3):
wO ist dabei ein Maß für die Fleckgröße des Strahls in
einer Bezugsebene,
die den Abstand d zur Linse aufweist, '0 ist ein Maß für die Fleckgröße des Strahls,
der die Linse passiert hat in einer Bezugsebene mit dem Abstand d' von der Linse.
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Die Anpassung des Strahls hängt zwar von der Wellenlänge ab, da sie
aber relativ unkritisch ist, wie die Experimente zeigen, braucht die Anpassung beim
Abstimmen des Lasers nicht geändert zu werden.
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Fig.4 zeigt eine Versuchsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Als Lichtquelle dient ein HeNe-Laser LA, dessen Strahl durch eine Modenblende M
geschickt wird. Zwei Linsen L1 und L2 hinter der Modenblende M dienen zur Strahlanpassung.
Der Strahl wird über zwei Justierbare Spiegel S1 und S2 in die Linsenleitung eingekoppelt.
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Experimente zeigten, daß die Justierung der ganzen Anordnung unkritisch
ist. Die Achsen der Teilbündel schneiden sich in einem kleinen Volumen, dessen Ausdehnung
sich durch geeignete Justierung unter 1 mm3 bringen läßt. Auch die Anpassung der
Moden bereitete experimentell keine Schwierigkeiten. Durch Verändern der Abstände
zwischen den Prismen und den Linsen konnte leicht erreicht werden, daß der eingestrahlte
Modus praktisch erhalten blieb. Dabei war deutlich der Wechsel zwischen großen und
kleinen Strahltaillen in der Mitte zwischen den beiden Linsen L3 und L4 bei Fehlanpassung
zu erkennen. Je nach Art der Fehlanpassung konnten zwischen den beiden Linsen L3
und L4 Strahltaillen erzeugt werden, die erheblich kleiner oder größer waren als
die Taille des Modus der Linsenleitung (wo = 0,14 mm bei \ = 0,63zum).
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Die Strahlanpassung geschah durch Verschieben der Linse
L1
hinter der Modenblende. Dabei konnte experimentell kein Unterschied zwischen einem
reinen Gauß'schen Strahl und einem Strahl mit einer Airy-Verteilung festgestellt
werden. Es war leicht möglich, durch Verschieben der Prismen quer zur Strahlrichtung
zehn vollständige Durchgänge einzustellen.
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Die hier beschriebene Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
eignet sich gut für Anwendungen in der Spektroskopie und Fotochemie. Sie ist sehr
einfach aufzubauen und stellt keine hohen Anforderungen an die Justierung, insbesondere
wenn Tripelprismen als Umlenkspiegel eingesetzt werden. Die Zahl der Durchgänge
kann auf einfache Weise verandert werden.
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Bei der Verwendung von Tripelspiegeln hat das Licht im Fokus elliptische
Polarisation, die sich bei jedem Durchgang durch ein Prisma ändert. Bei Dachkantprismen
kann lineare Polarisation aufrechterhalten werden, wenn die Polarisation des eingestrahlten
Lichts parallel oder senkrecht zur Dachkante gewählt wird.
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Wird anstelle des Strahlteilers ST bei der Anordnung nach Fig.4 ein
fluoreszierender Absorber eingebracht, so ist es leicht möglich, das von der Probe
emittierte Licht, das der absorbierten Leistung proportional ist, mit einem Detektor
zu messen.
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In Fig.2 ist mit E die Eintrittsebene des Lichtstrahls und mit A seine
Austrittsebene bezeichnet.
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In Fig.4 ist mit C ein Chopper bezeichnet, der das kontinuierliche
Licht des HeNe-Lasers LA zerhackt.
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12 Patentansprüche 4 Figuren
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