DE3903296A1 - Als gasfuehler verwendbare optische abtastanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Fühleranordnung und insbesondere auf eine solche optische Fühleranordnung, die hinsichtlich der optischen Wellenlänge durchstimmbar ist, damit die Anwesenheit oder die Abwesenheit spezieller Lichtwellen­ längen innerhalb einer gewissen Bandbreite festgestellt werden kann.

In der britischen Patentanmeldung Nr. 21 81 536A ist eine opti­ sche Fühleranordnung zum Erfassen und/oder Messen der Anwesen­ heit und/oder der Konzentration von Gas innerhalb einer beson­ deren zu überwachenden Zone beschrieben, wobei bei dieser An­ ordnung eine Durchstimmung durch eine vorbestimmte, relativ schmale Bandbreite bei breitbandigem (beispielsweise weißem) Licht erfolgt, das aus der zu überwachenden Zone kommt oder innerhalb dieser Zone vorhanden ist, damit die Dämpfung einer besonderen Wellenlänge oder eines Wellenlängenspektrums ent­ sprechend einer Absorptionslinie oder eines Absorptionslinien­ spektrums des aufgespürten Gases bestimmt wird. Die Wellenlän­ genverstimmung wird durch die Verwendung einer Fabry-Perot- Durchstimmvorrichtung erzielt, der Detektormittel zugeordnet sind. Die Fabry-Perot-Durchstimmvorrichtung wirkt als soge­ nanntes Kammfilter, das als Reaktion auf das Anlegen eines Sä­ gezahnsignals an eine Wandlervorrichtung der Fabry-Perot-Durch­ stimmvorrichtung die periodischen (d.h. in regelmäßigen Ab­ ständen liegenden) Absorptionswellenlängenlinien des zu über­ wachenden Gases durchstimmt. Dieser Prozeß ermöglicht die wirksamste Ausnutzung der das breitbandige Signal (beispiels­ weise das weiße Licht) liefernden Quelle, bei der es sich um eine Wolframdrahtlampe oder eine Leuchtdiode handeln kann. Diese verbesserte Wirksamkeit, die sich aus der gleichzeitigen Durchstimmung durch ein Spektrum aus Absorptionslinien des zu überwachenden Gases ergibt, wird durch die Tatsache vervoll­ ständigt, daß das Gas-Absorptionslinienspektrum wirksamer er­ kennbar ist oder von den Linienspektren anderer Gase unter­ schieden werden kann, da die Absorptionslinien eines Gases zwar im gleichen Spektralbereich wie die Absorptionslinien des anderen Gases liegen können, die Abstände zwischen den Absorp­ tionslinien der jeweiligen Spektren jedoch verschieden sein können. Somit wird durch das Durchstimmen des Linienspektrums eine größere Selektivität erzielt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß anstelle des Vor­ sehens einer Kammfilter-Durchstimmanordnung zur Erzielung ei­ ner gleichzeitigen Durchstimmung der Absorptionslinien des Gasspektrums auf der Ausgangsseite der im Hinblick auf die Er­ fassung und/oder Messung der Konzentration eines darin befind­ lichen Gases überwachten Zone die Lichtquelle so ausgelegt und/oder angeordnet sein kann, daß sie ein mehrere Linien auf­ weisendes Lichtausgangssignal liefert, das dem aus mehreren Linien bestehenden Spektrum als Absorptionslinien oder Wellen­ längen des zu überwachenden Gases bezüglich der Abstände zwi­ schen den Linien und dem besonderen Spektralband, in dem sie liegen, entspricht oder eng angenähert ist.

Nach der Erfindung ist eine zur Verwendung als Gasfühler ge­ eignete optische Abtastanordnung, gekennzeichnet durch eine durchstimmbare Lichtquelle, die ein Spektrum aus in regelmäßi­ gen Abständen liegenden Wellenlängen oder Linien erzeugt, das bezüglich der Abstände dem Absorptionslinienspektrum eines zu überwachenden Gases entspricht, wobei sich das mehrere Linien aufweisende Ausgangssignal der Lichtquelle durch eine in bezug auf Gas abzutastende Zone ausbreitet, und Mittel zum Bestimmen des aus der Zone kommenden Lichts zum Erfassen der Dämpfung der Komponenten des mehrere Linien aufweisenden Ausgangssi­ gnals der Lichtquelle, die auf die Absorption durch das zu überwachende Gas zurückzuführen ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Lichtquelle ein Fabry-Perot-Halbleiterlaser oder eine äquiva­ lente Vorrichtung zum Erzeugen eines veränderlichen, mehrere Linien aufweisenden Ausgangssignals ist, das einen Linienab­ stand aufweist, der dem Abstand der Absorptionslinien im Ab­ sorptionslinienspektrum des zu überwachenden Gases entspricht. Dabei kann vorgesehen sein, daß die Ausgangslinien des mehrere Linien enthaltenden Laser-Ausgangssignals gleichzeitig durch Verändern des Laser-Vorstroms oder der Laser-Temperatur durch­ gestimmt werden, oder es kann auch vorgesehen sein, daß die Ausgangslinien des mehrere Linien aufweisenden Laser-Ausgangs­ signals durch Ausüben von mechanischem Druck auf den Laser zum Verändern der effektiven optischen Länge des das Laser-Signal abgebenden Resonators gleichzeitig durchgestimmt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Lichtquelle aus einer Weißlichtquelle oder einer breitbandigen Lichtquelle wie einer Leuchtdiode oder einer anderen Lumines­ zenz-Halbleitervorrichtung bestehen. Die Lichtquelle enthält auch ein frequenzverstimmendes Kammfilter, das vom Typ des Fabry-Perot-Kammfilters sein kann oder aus einem geführten Mach-Zehnder-Interferometer bestehen kann. Das Material des Lasers der ersten Ausführungsform der Erfindung kann so ge­ wählt sein, daß sich die richtige Mittenfrequenz beim ge­ wünschten Vorstromwert des Lasers bei Normalbetrieb ergibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Abtastanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung zur Veranschaulichung des mehrere Linien aufweisenden Ausgangssignals der Lichtquelle der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 3 das Absorptionslinienspektrum eines Gases, das mit­ tels der Anordnung von Fig. 1 überwacht werden kann,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausfüh­ rungsform einer Abstastanordnung nach der Erfindung mit einem Mach-Zehnder-Interferometer in einer Aus­ führung mit einer integrierten Optikstruktur (als Al­ ternative könnte auch ein nur unter Verwendung von Lichtleitfasern aufgebautes Mach-Zehnder-Interfero­ meter verwendet werden, falls ein geeignetes Längen­ veränderungsmittel in einem Zweig eingefügt ist, wo­ bei dieses Längenveränderungsmittel ein piezoelektri­ sches Dehnungsglied sein könnte), und

Fig. 5 die Ausgangskennlinien der Lichtquelle und des Mach- Zehnder-Interferometers von Fig. 4.

Gemäß Fig. 1 der Zeichnung enthält die schematisch darge­ stellte Gasfühleranordnung eine mit einem Fabry-Perot-Resona­ tor ausgestattete, in mehreren Betriebsarten arbeitsfähige Halbleiter-Laserlichtquelle 1, die ein Intensitätslinienspek­ trum erzeugt, wie es allgemein in Fig. 2 dargestellt ist; das Material der Lichtquelle ist so gewählt, daß bei einem von der Vorstromeingabeeinheit 2 gelieferten Eingangs-Vorstrom mit ge­ wünschtem Pegel eine Mittenfrequenz f _O geliefert wird.

Das Spektrum aller Linien des mehrere Linien aufweisenden Laser-Ausgangssignals kann gleichzeitig durchgestimmt werden, wie die den Linien 3 bis 7 in Fig. 2 zugeordneten zweiseiti­ gen Pfeile veranschaulichen, wobei diese Änderung zweckmäßi­ gerweise durch Ändern des Laservorstroms durchgeführt wird. Das Durchstimmen der Linien könnte auch durch Verändern der Temperatur des Lasers oder durch Anlegen eines variablen me­ chanischen Drucks zum Verändern der effektiven optischen Länge des Laserresonators des Fabry-Perot-Lasers bewirkt werden.

Das durchgestimmte, mehrere Linien aufweisende Ausgangssignal aus dem Laser kann in eine Lichtleitfaser 8 (oder in den frei­ en Raum oder einen optisch kollimierten Weg) eingegeben wer­ den, damit es zu einer Gaszelle 9 übertragen wird, die sich in einer Zone befindet, in der die Anwesenheit und/oder die Kon­ zentration eines Gases (beispielsweise Methan) oder einer Gas­ mischung festgestellt und/oder gemessen werden soll.

Das aufzuspürende Gas hat ein Absorptionslinienspektrum, das bewirkt, das Licht mit Wellenlängen entsprechend diesen Ab­ sorptionslinien gedämpft wird, wenn sich das Licht durch die Gaszelle 9 ausbreitet.

Das aufzuspürende Gas hat ein Absorptionslinienspektrum, das zur Folge hat, das Licht bei den Wellenlängen, die den Absorp­ tionslinien entsprechen, gedämpft wird, wenn sich das Licht durch die Gaszelle 9 ausbreitet.

Zum Aufspüren eines Gases in der Gaszelle 9 wird das Material des Lasers 1 so gewählt, daß der regelmäßige Abstand zwischen den Intensitätslinien des mehrere Linien aufweisenden Aus­ gangssignals dem regelmäßigen Abstand zwischen den Absorp­ tionslinien des Absorptionslinienspektrums des betroffenen Ga­ ses entspricht. Dieser regelmäßige Abstand gilt speziell für ein bestimmtes Gas und ist für dieses Gas charakteristisch. Außerdem liegen die Wellenlängen der Absorptionslinien des Ga­ ses innerhalb des Wellenlängenbandes des mehrere Linien auf­ weisenden Ausgangssignals des Lasers. Das Absorptionslinien­ spektrum kann typischerweise die in Fig. 3 dargestellte Form haben, wobei die Absorptionslinien 10 bis 13 dargestellt sind. Wie zu erkennen ist, wird die Wellenlänge des Lichts entspre­ chend den Absorptionslinien (Fig. 3) entsprechend der Anwe­ senheit und/oder der Konzentration des Gases innerhalb der Zelle gedämpft, wenn sich das durchgestimmte, mehrere Linien ausweisende Ausgangssignal durch die Gaszelle 9 ausbreitet; die Dämpfung wird dann mit Hilfe eines Detektormittels 15 er­ faßt, nachdem das aus der Gaszelle austretende Licht mit Hilfe einer Lichtleitfaser 16 (oder durch den freien Raum oder auch über optisch kollimierte Wege) dorthin übertragen worden ist.

In Fig. 4 ist eine optische Anordnung mit Wellenlängendurch­ stimmung dargestellt, bei der eine breitbandige Lichtquelle ein Wellenlängendurchstimm-Kammfilter enthält. Die Lichtquelle kann eine Leuchtdiode 17 oder eine andere Lumineszenz-Halblei­ tervorrichtung sein. Als Alternative könnte auch eine weißes Licht abgebende Quelle verwendet werden.

Das Kammfilter der Lichtquelle könnte aus einer Fabry-Perot- Durchstimmanordnung ähnlich der Art bestehen, wie sie am de­ tektorseitigen Ende der zuvor erwähnten britischen Patentan­ meldung eingesetzt wird. Zur Erleichterung der Massenproduk­ tion von Gasfühlervorrichtungen nach der Erfindung kann jedoch vorteilhafterweise ein Filter 18 von der Art eines geführten Mach-Zehnder-Interferometers mit integrierter Optik angewendet werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Dieses Interferometer enthält zwei Monomoden-Zweige 19 und 20, auf die ein geführtes Monomoden-Lichtsignal in einem Eingangs­ lichtweg 21 aufgeteilt wird. Das geführte Eingangssignal des Interferometers, das aus der Leuchtdiode 17 abgeleitet ist, ist in Fig. 5 dargestellt, wobei die Leuchtdiode ein allge­ mein sinusförmiges Spektrum 22 hat. Die zwei Zweige 19 und 20 des Interferometers werden zu einem Monomoden-Ausgangswellen­ leiter-Lichtweg 23 zusammengefaßt. Die Längendifferenz der Lichtwege 19 und 20 ist so bemessen, daß der Abstand zwischen der zyklischen Intensitätsübertragungsschwingung des Interfe­ rometers, die allgemein sinusförmig ist, wie in Fig. 5 bei 24 dargestellt ist, den regelmäßigen Abständen zwischen den Ab­ sorptionslinien des Absorptionsspektrums entspricht, das für das aufzuspürende Gas in der Gaszelle 9 gilt (siehe das Gas- Absorptionslinienspektrum von Fig. 3). Gleichzeitig hat die Leuchtdiode 17 eine Wellenlänge, die innerhalb des breiteren Absorptionslinienspektrums des aufzuspürenden Gases liegt.

Das Mach-Zehnder-Interferometer ist mit zwei Elektroden 25 und 26 versehen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Zweigs 19 angeordnet sind; durch Anlegen veränderlicher elektrischer Si­ gnale an die Elektroden 25 und 26 kann die Länge des optischen Zweigs 19 geringfügig verändert werden, damit das Ausgangssi­ gnal der Leuchtdiode moduliert wird, was zu einer Frequenz- oder Wellenlängendurchstimmung der in Fig. 5 dargestellten zyklischen Aussendung führt. Das in eine Ausgangsfaser 27 ein­ gespeiste Licht besteht dadurch aus dem gewünschten frequenz­ durchstimmten, mehrere Linien aufweisenden Ausgangssignal, wo­ bei die Frequenzabstände zwischen den ausgesendeten Intensi­ tätsspitzen oder Linien gleich oder nahezugleich den Abständen zwischen den Absorptionslinien des Gas-Absorptionslinienspek­ trums (siehe Fig. 3) sind.

Wie im Falle der Ausführungsform von Fig. 1 bereitet sich das durchgestimmte, mehrere Linien aufweisende Ausgangssignal der Lichtquelle durch die Gaszelle 9 aus, in der die Konzentration des Gases vorhanden ist, die die Dämpfung der Lichtintensi­ tätslinien bewirkt, die den Absorptionslinien des Gas-Absorp­ tionslinienspektrums entsprechen. Diese Dämpfung wird durch das Detektormittel zum Zwecke der Erfassung und Messung der Gaskonzentration in der Gaszelle 9 festgestellt. Das Mach- Zehnder-Interferometer kann aus einem Lithiumniobatsubstrat- Intensitätsmodulator mit geeignet gewählter Ungleichheit zwi­ schen den Wegen bestehen. Es kann jedoch ein besonderer Vor­ teil sein, den Modulator in einem Halbleitermaterial herzu­ stellen, so daß die Leuchtdiode 17 in der gleichen monolithi­ schen Struktur wie der Modulator enthalten sein könnte, wo­ durch bei der Massenproduktion der Fühleranordnungen Kosten­ einsparungen erzielt werden können.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Fil­ ter durch eine Modulationsanordnung mit integriertem Oberflä­ chenwellenleiter gebildet werden, die an die Stelle des Mach- Zehnder-Interferometers gesetzt wird, wobei ein Δ β-Modulator in bekannter Ausführung verwendet wird, der wieder als Kamm­ filter zum Durchstimmen des mehrere Linien aufweisenden Aus­ gangssignals der Lichtquelle wirkt.

Claims (8)

1. Zur Verwendung als Gasfühler geeignete optische Abtastan­ ordnung, gekennzeichnet durch eine durchstimmbare Lichtquelle, die ein Spektrum aus in regelmäßigen Abständen liegenden Wel­ lenlängen oder Linien erzeugt, das bezüglich der Abstände dem Absorptionslinienspektrum eines zu überwachenden Gases ent­ spricht, wobei sich das mehrere Linien aufweisende Ausgangssi­ gnal der Lichtquelle durch eine in bezug auf Gas abzutastende Zone ausbreitet, und Mittel zum Bestimmen des aus der Zone kommenden Lichts zum Erfassen der Dämpfung der Komponenten des mehrere Linien aufweisenden Ausgangssignals der Lichtquelle, die auf die Absorption durch das zu überwachende Gas zurückzu­ führen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Fabry-Perot-Halbleiterlaser oder eine äquiva­ lente Vorrichtung zum Erzeugen eines veränderlichen, mehrere Linien aufweisenden Ausgangssignals ist, das einen Linienab­ stand aufweist, der dem Abstand der Absorptionslinien im Ab­ sorptionslinienspektrum des zu überwachenden Gases entspricht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangslinien des mehrere Linien enthaltenden Laser-Ausgangs­ signals gleichzeitig durch Verändern des Laser-Vorstroms oder der Laser-Temperatur durchgestimmt werden.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangslinien des mehrere Linien aufweisenden Laser-Ausgangs­ signals durch Ausüben von mechanischem Druck auf den Laser zum Verändern der effektiven optischen Länge des das Laser-Signal abgebenden Resonators gleichzeitig durchgestimmt werden.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus einer Weißlicht oder Breitbandlicht abgebenden Quelle und einem frequenzverstimmenden Kammfilter besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammfilter mit Filter vom Fabry-Perot-Typ ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter aus einem geführten Mach-Zehnder-Interferometer besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammfilter von einer integrierten Oberflächenwellenleiter-Mo­ dulationsanordnung gebildet ist.