DE3734401C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Laserabsorptionsspektrometer mit einem Diodenlaser, der über einen die zu erfassen den Absorptionslinien umfassenden Abstimmbereich mit Hilfe einer Laserstromversorgung periodisch im Pulsbe trieb durchstimmbar ist, mit einem Strahlteiler zum Aufteilen des Laserstrahls in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl, der nach Durchqueren einer Referenz strahlstrecke einen Referenzsignaldetektor beauf schlagt, und mit einer den Laserstrom steuernden Zeit ablaufsteuerung, durch die synchron zum Pulsbetrieb im Referenzstromkreis liegende Schalter betätigbar sind, über die das Referenzsignal während vorher bestimmter Zeitintervalle Integratoren zuführbar ist.The invention relates to a laser absorption spectrometer with a diode laser that detects one over the the tuning range with the absorption lines With the help of a laser power supply periodically in the pulse drive is tunable, with a beam splitter Splitting the laser beam into a measuring beam and one Reference beam that after crossing a reference beam path a reference signal detector strikes, and with a time controlling the laser current sequence control, through which synchronous to the pulse operation in Reference circuit lying switches are actuated, over which the reference signal during predetermined Time intervals integrators can be fed.
Ein derartiges Spektrometer ist aus der DE 31 06 331 C2 entnehmbar und dient zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Meßgasprobe, wobei eine In tegrativspektroskopie erfolgt. Während bei Derivativ spektrometern bereits Vorrichtungen zur Frequenzstabi lisierung bekannt sind, die Absorptionslinien zur Frequenzstabilisierung verwenden (APPLIED OPTICS, Vol. 17, Nr. 2, 15. Januar 1978, Seiten 300-307) ist es bisher nicht gelungen, bei den wegen einer schnelleren Erfassung von Konzentrationswerten gemäß der Integra tivspektroskopie vorteilhaften, mit gepulsten Lasern arbeitenden Spektrometern eine Frequenzstabilisierung bei einer schnellen Frequenzdurchstimmung mit zufrie denstellender Genauigkeit durchzuführen.Such a spectrometer is from DE 31 06 331 C2 removable and serves to determine the concentration a component of a sample gas sample, an In tegratic spectroscopy. While in derivative Spectrometers already devices for frequency stabilization lization are known, the absorption lines for Use frequency stabilization (APPLIED OPTICS, Vol. 17, No. 2, January 15, 1978, pages 300-307) so far not been able to because of a faster Acquisition of concentration values according to the Integra tivspektoskopie advantageous, with pulsed lasers working spectrometers a frequency stabilization with a quick frequency tuning with satisfied performing accuracy.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine hohe Frequenzstabilität aufweist. Based on this state of the art, the Er the task is based on a spectrometer to create a high Has frequency stability.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Integratoren vorgesehen sind, deren Integrations zeitfenster symmetrisch zum Sollzeitpunkt des Auftre tens der Mittenfrequenz der Absorptionslinie des Refe renzgases im Bereich der beiden Flanken der Absorp tionslinie liegen, und daß die Ausgänge der Integrato ren mit den beiden Eingängen einer Differenzstufe verbunden sind, deren Ausgangssignal über einen Regelver stärker ein Korrektursignal für den Diodenlaser- Grundstrom erzeugt, das der Laserstromversorgung zugeführt wird.This object is achieved in that two integrators are provided, their integrations time window symmetrical to the target time of occurrence least the center frequency of the absorption line of the Refe reference gas in the area of the two flanks of the absorber tion line, and that the outputs of the integrato with the two inputs of a differential level are connected, their output signal via a rule ver stronger a correction signal for the diode laser Generates basic current that of the laser power supply is fed.
Dadurch, daß die Absorption einer Absorptionslinie eines Referenzgases zur Stabilisierung der periodischen Frequenzdurchstimmung verwendet wird, ist es möglich, Frequenzdriften des Diodenlasers auzugleichen und ohne eine zusätzliche Frequenzmodulation des emittierten Lichtes eine hohe Frequenzstabilität zu erhalten.Because the absorption of an absorption line a reference gas to stabilize the periodic Frequency tuning is used, it is possible Compensate frequency drifts of the diode laser and without an additional frequency modulation of the emitted Light to maintain a high frequency stability.
Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung erfolgt eine Transmissionsmessung in einem optischen Kanal, in dem sich irgendein Gas be findet, welches im Abstimmbereich des gepulsten Dioden lasers wenigstens eine Absorptionslinie besitzt. Das Transmissionssignal wird über zwei Zeitfenster aufin tegriert, die so gelegt werden, daß sie bei zeitlicher Sollposition der Absorptionslinie symmetrisch in den Flanken dieser Linien liegen. Die Differenz der beiden Integrationssignale wird über einen Regelverstärker für die Korrektur des Diodenlasergrundstromes benutzt.With the device according to the invention, a transmission measurement is carried out in an optical channel in which there is some gas which is in the tuning range of the pulsed diode lasers has at least one absorption line. The Transmission signal is on over two time windows tegrated, which are placed so that they are temporal Target position of the absorption line symmetrically in the Flanks of these lines lie. The difference between the two Integration signals is via a control amplifier for used the correction of the diode laser base current.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:The following is an embodiment of the invention described in more detail with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Regelstrecke des Spektrometers und Fig. 1 is a block diagram of the controlled system of the spectrometer and
Fig. 2 den Verlauf der Signalhöhe des Transmissions signals bzw. Referenzdetektorausgangssignals in Abhängigkeit von der Zeit und damit der Frequenz der gepulsten Laserstrahlung. Fig. 2 shows the course of the signal level of the transmission signal or reference detector output signal depending on the time and thus the frequency of the pulsed laser radiation.
In Fig. 1 erkennt man den Frequenzstabilisierungsre gelkreis eines Laserabsorptionsspektrometers, das über einen gepulst betriebenen Diodenlaser 1 verfügt, der auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten Kühler montiert ist und dem ein Temperaturregler 2 zugeordnet ist, der es gestattet, den Diodenlaser 1 auf annähernd konstanter Temperatur zu halten. Die Abstimmung des Diodenlasers 1 erfolgt über den Temperaturregler 2 und über eine Laserstromversorgung 3, die eine Kombination von Gleichstrom und Pulsbetrieb erlaubt, wobei eine Zeitablaufsteuerung 4 die Pulswiederholungsraten und Pulslängen kontrolliert.In Fig. 1 can be seen the frequency stabilization control circuit of a laser absorption spectrometer, which has a pulsed diode laser 1 , which is mounted on a cooler, not shown in the drawing, and which is associated with a temperature controller 2 , which allows the diode laser 1 to approximately constant Maintain temperature. The diode laser 1 is tuned via the temperature controller 2 and via a laser power supply 3 , which allows a combination of direct current and pulse operation, a time control 4 controlling the pulse repetition rates and pulse lengths.
Die vom Diodenlaser 1 erzeugte Laserstrahlung 5, deren Wellenlänge periodisch einen vorgegebenen Abstimmbe reich überstreicht, wird mit Hilfe eines Strahlteilers 6 in einen Meßstrahl 7 für die spektroskopische Unter suchung eines Mediums, beispielsweise eines Gases im Infrarotbereich, und einen Referenzstrahl 8 zerlegt, der verwendet wird, um eine Frequenzstabilisierung, bzw. Wellenlängenstabilisierung des Diodenlasers 1 durchzuführen.The laser radiation 5 generated by the diode laser 1 , the wavelength of which periodically sweeps a predetermined range, is broken down with the aid of a beam splitter 6 into a measuring beam 7 for the spectroscopic examination of a medium, for example a gas in the infrared range, and a reference beam 8 which is used to perform a frequency stabilization or wavelength stabilization of the diode laser 1 .
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungs beispiel durchläuft der Referenzstrahl 8 eine Referenz zelle 9, die mit einem Referenzgas gefüllt ist, das innerhalb des während eines Pulses überstrichenen Frequenzbereiches eine genügend starke Absorptionslinie aufweist. Das Referenzgas kann somit im einfachsten Fall aus der zu messenden Gaskomponente in geeigneter Konzentration bestehen und die zur Messung herangezo gene Absorptionslinie zur Frequenzstabilisierung ver wendet werden. Als Referenz-Absorptionslinie kann aber auch eine benachbarte Absorptionslinie dieses Gases oder eines beliebigen anderen Gases dienen. Letztere Möglichkeit bietet sich bei der Messung von chemisch nicht stabilen Gaskomponenten an.In the embodiment shown in the drawing, the reference beam 8 passes through a reference cell 9 , which is filled with a reference gas which has a sufficiently strong absorption line within the frequency range swept during a pulse. In the simplest case, the reference gas can thus consist of the gas component to be measured in a suitable concentration and the absorption line used for the measurement can be used for frequency stabilization. An adjacent absorption line of this gas or any other gas can also serve as a reference absorption line. The latter option is available for the measurement of chemically unstable gas components.
Es ist damit auch möglich, die Referenzzelle 9 mit einer begrenzten Zahl von stabilen Standardgasen mit geeigneten Referenzabsorptionslinien für den gesamten Bereich der interessierenden IR-Molekülabsorptions linien zu füllen. Die Referenzabsorptionslinien bilden dabei Frequenzstandards im Sinne von Eichmarken.It is thus also possible to fill the reference cell 9 with a limited number of stable standard gases with suitable reference absorption lines for the entire range of the IR molecule absorption lines of interest. The reference absorption lines form frequency standards in the sense of calibration marks.
In besonderen Fällen ist es auch möglich, die Referenz zelle 9 durch eine offene Meßstrecke, beispielsweise in der normalen Atmosphäre, zu realisieren. Als atmosphä rische Absorptionslinien bieten sich dabei die Absorp tionslinien von Kohlendioxid sowie anderer Gase an. In special cases, it is also possible to implement the reference cell 9 through an open measuring section, for example in the normal atmosphere. The absorption lines of carbon dioxide and other gases are suitable as atmospheric absorption lines.
Das aus der Referenzzelle 9 austretende Transmissions signal 10 ändert infolge der periodischen Durchstimmung des Diodenlasers 1 seine Signalhöhe periodisch, wie dies für eine Periode in Abhängigkeit von der Zeit und der Laserfrequenz in Fig. 2 dargestellt ist.The transmission signal 10 emerging from the reference cell 9 changes its signal level periodically as a result of the periodic tuning of the diode laser 1 , as is shown for a period depending on the time and the laser frequency in FIG. 2.
Das Transmissionssignal 10 beaufschlagt einen Detektor 11 mit einem Vorverstärker, dessen Ausgang über eine Leitung 12 mit einem Zweikanal-Fensterintegrator 13 verbunden ist.The transmission signal 10 acts on a detector 11 with a preamplifier, the output of which is connected via a line 12 to a two-channel window integrator 13 .
Der Zweikanal-Fensterintegrator 13 weist einen in Fig. 1 schematisch dargestellten Aufbau auf und gestattet es, das über die Leitung 12 eingespeiste Detektorsignal über zwei Fenster zu integrieren, die durch die Schließzeiten sich periodisch öffnender und schließen der Schalter 14, 15 definiert sind. Das dem Schalter 14 zugeordnete erste Integrationszeitfenster 16 und das dem Schalter 15 zugeordnete zweite Integrationszeit fenster 17 sind in Fig. 2 auf der Zeitachse veranschau licht.The two-channel window integrator 13 has a structure which is shown schematically in FIG. 1 and allows the detector signal fed in via the line 12 to be integrated via two windows which are defined by the closing times which open and close the switches 14 , 15 periodically. The first integration time window 16 assigned to the switch 14 and the second integration time window 17 assigned to the switch 15 are illustrated in FIG. 2 on the time axis.
Wie man in Fig. 2 erkennt, liegen die Integrationszeit fenster 16, 17 symmetrisch zur Sollmittenfrequenz 18 einer Absorptionslinie 19 im Referenzdetektorsausgangs signal 20, das sich während eines an den Diodenlaser 1 angelegten Stromimpulses infolge der Absorptionseigen schaft der Referenzzelle 9 und der periodischen Fre quenzdurchstimmung ergibt. Die zeitliche Stromabstim mung bei der gegebenen Temperatur des Diodenlasers 1 erfolgt bei dem in Fig. 2 dargestellten Referenzdetek torssignal 20 so, daß die Mittenfrequenz der Absorp tionslinie 19 zum Zeitpunkt 21 erreicht wird. Die Integrationszeitfenster 16, 17 sind symmetrisch um den Zeitpunkt 21 angeordnet und gestatten im Zweikanal- Fensterintegrator 13 eine Integration des Referenzde tektorsausgangssignals 20 während derjenigen Zeiten, zu denen die Flanken 22, 23 der Absorptionslinie 19 ihre größte Steilheit aufweisen, so daß bei einer kleinen zeitlichen Verschiebung der Absorptionslinie möglichst große Signaländerungen auftreten.As can be seen in Fig. 2, the integration time window 16 , 17 are symmetrical to the nominal center frequency 18 of an absorption line 19 in the reference detector output signal 20 , which results during a current pulse applied to the diode laser 1 as a result of the absorption property of the reference cell 9 and the periodic frequency tuning . The temporal Stromabstim tion at the given temperature of the diode laser 1 takes place in the reference detector 20 shown in FIG. 2 such that the center frequency of the absorption line 19 is reached at time 21 . The integration time window 16 , 17 are arranged symmetrically around the time 21 and allow integration of the reference detector output signal 20 in the two-channel window integrator 13 during those times when the edges 22 , 23 of the absorption line 19 have their greatest steepness, so that with a small temporal Displacement of the absorption line as large as possible signal changes occur.
Die Breite der Integrationszeitfenster 16, 17 ist kleiner als die Halbwertsbreite der Absorptionslinie 19, um eine hohe Empfindlichkeit auf Linienverschie bungen zu erreichen. Bei der in Fig. 2 gezeigten Lage der Integrationszeitfenster 16, 17 im Verhältnis zur Lage der Absorptionslinie 19 ergeben sich beim Inte grieren des Referenzdetektorausgangssignals 20 im ersten Integrator 24 und zweiten Integrator 25, die in Fig. 1 jeweils durch RC-Glieder symbolisiert sind, gleichgroße Integrationssignale an den Ausgängen 26, 27 des Zweikanal-Fensterintegrators 13.The width of the integration time window 16 , 17 is smaller than the half-width of the absorption line 19 in order to achieve a high sensitivity to line shifts. In the position of the integration time window 16 , 17 shown in FIG. 2 in relation to the position of the absorption line 19 , when integrating the reference detector output signal 20 in the first integrator 24 and second integrator 25 , which are each symbolized in FIG. 1 by RC elements, Integration signals of the same size at the outputs 26 , 27 of the two-channel window integrator 13 .
Erfolgt eine zeitliche Verschiebung zwischen dem Auf treten der Mittenfrequenz und der Sollmittenfrequenz 18 der Absorptionslinie 19, so ergibt sich beim Integrie ren über die Integrationszeitfenster 16, 17 nicht mehr das gleiche Signal, sondern je nach der Abweichung von der zeitlichen Sollage eine Verkleinerung oder Ver größerung der Integrationssignale an den Ausgängen 26, 27. If there is a temporal shift between the occurrence of the center frequency and the target center frequency 18 of the absorption line 19 , there is no longer the same signal when integrating via the integration time window 16 , 17 , but a reduction or enlargement depending on the deviation from the target time position the integration signals at the outputs 26 , 27 .
Die Ausgänge 26, 27 sind mit den beiden Eingängen einer Differenzstufe 28 verbunden die an ihrem Ausgang 29 das Differenzsignal der von den Integratoren 24, 25 gebildeten Integrationssignale liefert. Bei der in Fig. 2 dargestellten relativen Lage der Absorptionslinie 19 zu den Integrationszeitfenstern 16, 17 ist daher das Differenzsignal am Ausgang 29 Null. Erfolgt jedoch eine Lageverschiebung der Absorptionslinie 19 in Bezug auf die Zeitfenster 16, 17 nach links oder nach rechts, so liegt am Ausgang 29 ein positives oder negatives Regel signal an.The outputs 26, 27 are connected to the two inputs of a differential stage 28 which supplies the differential signal of the integration signals formed by the integrators 24 , 25 at its output 29 . In the relative position of the absorption line 19 to the integration time windows 16 , 17 shown in FIG. 2, the difference signal at the output 29 is therefore zero. However, if the position of the absorption line 19 is shifted to the left or to the right with respect to the time window 16 , 17 , a positive or negative control signal is present at the output 29 .
Der Ausgang 29 der Differenzstufe 28 ist mit einem Regelverstärker 30 verbunden, der über eine Ausgangs leitung 31 die Laserstromversorgung 3 mit einem additi ven oder subtraktiven Stromanteil für die Korrektur des Diodenlasergrundstromes liefert. Je nachdem, ob der vom Regelverstärker 30 eingespeiste Stromanteil den Dioden lasergrundstrom erhöht oder erniedrigt, erfolgt ein früheres oder späteres Erreichen der Mittenfrequenz der Absorptionslinie 19 und damit eine relative zeitliche Verschiebung zwischen den Integrationszeitfenstern 16, 17 im Bezug auf die Sollage so, daß die Frequenz der Laserstrahlung 5 nach dem Auftreten einer Störung im Regelkreis nachgeregelt wird, um die in Fig. 2 darge stellten Sollverhältnisse wieder zu erreichen. Sobald dies der Fall ist, sind die beiden Integrationssignale wieder gleich und der vom Regelverstärker 30 gelieferte Regelstrom Null.The output 29 of the differential stage 28 is connected to a control amplifier 30 which supplies the laser power supply 3 with an additive or subtractive current component for the correction of the diode laser base current via an output line 31 . Depending on whether the current component fed by the control amplifier 30 increases or decreases the diode laser base current, the center frequency of the absorption line 19 is reached earlier or later, and thus a relative temporal shift between the integration time windows 16 , 17 with respect to the target position so that the frequency the laser radiation 5 is readjusted after the occurrence of a disturbance in the control circuit in order to achieve the target conditions shown in FIG. 2 again. As soon as this is the case, the two integration signals are the same again and the control current supplied by the control amplifier 30 is zero.
Wie man in Fig. 1 erkennt, ist die Zeitablaufsteuerung nicht nur mit der Laserstromversorgung 3, sondern auch mit dem Zweikanal-Fensterintegrator 13 verbunden. Die beiden Steuerleitungen 32, 33 der Zeitablaufsteuerung 4 sind jeweils den die Zeitfenster 16, 17 festlegenden Schaltern 14, 15 zugeordnet. Aus der Lage der Integra tionszeitfenster 16, 17 ergibt sich, daß die Schalter 14, 15 grundsätzlich geöffnet sind und beispielsweise der Schalter 14 periodisch während des Auftretens der ersten Integrationszeitfenster 16 und der Schalter 15 periodisch während des Auftretens der zweiten Integra tionszeitfenster 17 geschlossen ist.As can be seen in FIG. 1, the timing control is connected not only to the laser power supply 3 , but also to the two-channel window integrator 13 . The two control lines 32 , 33 of the time sequence control 4 are each assigned to the switches 14 , 15 which define the time windows 16 , 17 . From the position of the integration time window 16 , 17 it follows that the switches 14 , 15 are fundamentally open and, for example, the switch 14 is periodically closed during the occurrence of the first integration time window 16 and the switch 15 is periodically closed during the occurrence of the second integration time window 17 .
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |