DE3943234A1 - Interferometersystem zur erzeugung von mehr als zwei durchgelassenen strahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine besondere Interferometeran­ ordnung und eine Vorrichtung für den Nachweis und die Messung der Konzentration eines Gases in einem Gasge­ misch, wobei die Absorptionsstruktur des genannten Gases in einem bestimmten Spektralbereich quasiperiodisch ist. Diese Vorrichtung ermöglicht die Verwendung von Materia­ lien mit geringer Doppelbrechung und ist insbesondere zur Analyse von Gasen im Infraroten bestimmt.

Die Bestimmung der Konzentration eines Gases durch Untersuchung seines Absorptionsspektrums ist Gegenstand mehrerer Patente über Interferometervorrichtungen, die den Fourier-Formalismus anwenden. Bei einem Gas, das in einem Wellenzahlenbereich lokal ein quasiperiodisches Absorptionsspektrum mit Periode p aufweist, hat nämlich die Fourier-Transformierte des Spektrums, die durch ein Interferometersystem erzeugt wird, das in den Weg eines Lichtstrahls gebracht wird, der ein das genannte Gas enthaltendes Gemisch durchquert hat, ein meßbares Maximum des durch das Interferometersystem übermittelten Signals bei Δ _c =1/p, wobei Δ _c der das genannte System charakterisierende Gangunterschied ist. Dieses Maximum ist Ausdruck der Ähnlichkeit des durch das Interfero­ metersystem erzeugten Streifensystems mit dem Streifen­ system des Absorptionsspektrums des Gases.

In den unter den Nummern 23 40 540, 25 55 748, 25 66 748, 25 66 532 und 25 81 190 veröffentlichten französischen Patenten wurden Interferometervorrichtungen zum Nachweis eines Gases in einem Gemisch beschrie­ ben. Diese Vorrichtungen enthalten in ihrer einfachsten Form als Interferometer eine Platte aus doppelbrechendem Material des Betrages der Doppelbrechung Δ n und der Dicke e, beispielsweise parallel zur Achse des Materials geschnitten, die einen Gangunterschied Δ=e · Δ n erzeugt.

So enthält die einfachste Vorrichtung, die in der Schrift FR. A. 23 40 540 beschrieben wird, nacheinander entlang derselben optischen Achse: Eine Quelle mit kontinuierlichem Emissionsspektrum, eine Linse, eine das zu analysierende Gemisch enthaltende Gasküvette, ein den Absorptionsbereich des gesuchten Gases isolierendes Filter, einen Polarisator, eine doppelbrechende Platte, einen Analysator, eine Linse, eine sich im hinteren Brennpunkt der genannten Linse befindende Blende und einen Detektor, der die Lichtenergie in ein elektrisches Signal umwandelt, beispielsweise einen Photoverviel­ facher, mit dem die Interferenzerscheinung untersucht wird. Die Dicke der Platte wird, angepaßt an das gesuch­ te Gas, so gewählt, daß hinter einer Linse eine Interfe­ renzordnung erhalten wird, die bei Anwesenheit der untersuchten Substanz einem Maximum der Beleuchtungs­ stärke der Interferenzerscheinung entspricht.

Für eine leichte und exakte Ablesung des Ausgangssignals wird der Lichtstrom durch Rotation des Polarisators oder des Analysators derart moduliert, daß in der Brenn­ punktebene der Linse abwechselnd ein gegebenes Strei­ fensystem oder das zu ihm komplementäre erzeugt wird, wenn Polarisator und Analysator parallel bzw. senkrecht zueinander stehen. Die Rotation des Analysators oder des Polarisators erfolgt mit der Frequenz f derart, daß der Interferenzterm moduliert wird und das vom Detektor ausgegebene Signal die doppelte Frequenz 2f aufweist. Die Amplitude dieses Ausgangssignals ist proportional zur Konzentration des untersuchten, in der vor dem Interferometer angeordneten Küvette zirkulierenden Gases.

Der Vorteil dieser Vorrichtung besteht in ihrem geringen Raumbedarf, ihrer sehr großen Stabilität und der Einfachheit, mit der das Signal moduliert werden kann, sei es durch Rotation des Analysators und des Polarisa­ tors oder durch Rotation einer λ/2-Platte oder auch durch Verwendung eines photoelastischen Modulators oder durch Vibration eines periodischen Gitters.

Ihr Nachteil besteht darin, daß es in dem untersuchten Spektralbereich, der den Absorptionsbereich des oder der untersuchten Gase enthält, nicht immer einfach ist, Materialien zur Herstellung der Polarisatoren und Analy­ satoren und der doppelbrechenden Platte zu finden, die die Herstellung der Analysevorrichtung zu geringen Kosten ermöglichen. Dies ist insbesondere im Infrarot­ bereich zwischen 2 µm und 8 µm der Fall. In diesem Bereich stößt auch die Herstellung der Polarisatoren und Analysatoren auf Schwierigkeiten.

Die Absorption der im Infraroten polarisierenden Folien erlaubt nicht, 2,5 µm zu überschreiten. Doppelspat kann nicht verwendet werden, da er jenseits von 2,5 µm dichroitisch wird. Die unter dem Namen POLAROID® im Handel befindlichen, synthetischen dichroitischen Materialien, die gewöhnlich im sichtbaren und ultravio­ letten Bereich verwendet werden, können im Infraroten nicht angewandt werden. Im französischen Patent 25 81 90 wird zum Überschreiten der 2,5 µm eine Lösung angegeben, die darin besteht, auf polarisierende Prismen vom Wollaston-Typ aus Quarz oder Magnesiumfluorid zurückzugreifen. Die wesentlichen Nachteile dieser Polarisatoren sind ihr Preis und der geringe Lichtstär­ kebereich, den sie zulassen.

Noch größere Probleme treten bei der Herstellung der doppelbrechenden Platte auf. Hierzu ein Beispiel.

Zur Herstellung einer im Infraroten verwendbaren doppel­ brechenden Platte können insbesondere zwei Materialien verwendet werden: Rutil mit einem Betrag der Doppel­ brechung von Δ n=0,2 und Magnesiumfluorid mit einem Betrag der Doppelbrechung von Δ n=10^-2. CO weist bei 4,6 µm einen Absorptionsbereich mit einer feinen Absorp­ tionsstruktur der Periodizität δσ=2 cm^-1 auf. Die in diesem Fall erforderliche Plattendicke ist e _o mit e _o Δ n= 1/δσ, woraus sich eine Dicke von entweder 500 mm im Fall einer Platte aus Magnesiumfluorid ergibt - was nicht realisierbar ist - oder von 25 mm im Fall einer Platte aus Rutil, was in der Industrie angesichts der enormen Kosten nicht in Betracht gezogen werden kann, die die Herstellung einer Platte mit derartiger Dicke verur­ sachen würde. Durch die hohen Dicken und Kosten, die sie verursacht, macht die zu geringe Doppelbrechung der beispielsweise im Infraroten verwendbaren Materialien die Herstellung einer interferometrischen Analysevor­ richtung unter Verwendung einer doppelbrechenden Platte, wie sie oben knapp und detaillierter im Patent FR. A. 23 40 540 beschrieben worden ist, unmöglich.

Die Erfindung ermöglicht bei Erhaltung der Vorteile der Vorrichtungen der vorbekannten Technik, diesen Nachteil zu vermeiden und hat zum Ziel, die geringe Doppel­ brechung gewisser, zur Herstellung der doppelbrechenden Platte geeigneter Materialien, die insbesondere zur Herstellung der oben angegebenen Art von Vorrichtungen erforderlich sind, zu kompensieren und die Dicke der genannten Platte zu verringern.

Das Ziel wird durch ein Interferometersystem erreicht, in dem ein doppelbrechendes Interferometer, wie es oben beschrieben wurde, das zur Erhaltung der Einfachheit der Modulation dient, mit einem isotropen Interferometer, bestehend aus einer Platte mit parallelen Flächen, die jeweils einen hinreichend großen Reflexionskoeffizien­ ten, beispielsweise 0,3, aufweisen, kombiniert werden. Eine derartige isotrope Platte ermöglicht die Erzeugung von zwei durchgelassenen aus einem einfallenden Strahl, nämlich einem direkt durchgelassenen und einem nach Reflexion an den beiden Innenflächen der Platte durchge­ lassenen, wobei der Gangunterschied zwischen diesen beiden durchgelassenen Strahlen Δ=2n · e beträgt, wo n für den Brechungsindex des Materials der isotropen Platte und e für deren Dicke steht.

Die Verbindung einer doppelbrechenden Platte mit einer isotropen Platte hat die Verdoppelung der Zahl der nur mit einer doppelbrechenden Platte erhaltenen Strahlen zur Folge und stellt größere Gangunterschiede zur Verfü­ gung, als die doppelbrechende Platte alleine, bewirkt also eine Verringerung der erforderlichen Dicke der doppelbrechenden Platte.

Zum Nachweis und zur Messung der Konzentration minde­ stens eines Gases in einem Gasgemisch ist das erfin­ dungsgemäße Interferometersystem in eine optische Vorrichtung integriert, die auf derselben optischen Achse eine Quelle mit breitem Spektrum aufweist, deren Lichtstrahl durch eine Linse im Unendlichen fokussiert wird, durch eine Gasküvette, die das Gemisch enthält, in dem das zu analysierende Gas zirkuliert, durch ein Interferenzfilter zur Isolierung des für das gesuchte Gas spezifischen Spektralbereichs, durch einen Polarisa­ tor, einen Modulator, eine doppelbrechende Platte, eine isotrope Platte, einen Analysator, eine Linse zur Fokus­ sierung und auf einen Detektor fällt, der sich in der Brennpunktebene der genannten Linse befindet. Die Reihenfolge, in der sich der Modulator, die doppelbre­ chende Platte und die isotrope Platte zwischen Polarisa­ tor und Analysator befinden, hat keine Bedeutung.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich werden, die sich auf die beigefügte Fig. 1, die schematisch die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt, und auf die Fig. 2 bezieht, in der die Zonen, in denen ein Signal mit der auswertbaren Intensität I erhalten wird, in Abhängigkeit vom Gangunterschied schematisch dargestellt ist.

In einer insbesondere für den Infrarotbereich bestimmten Ausführungsform besteht die Vorrichtung zum Nachweis und zur Messung der Konzentration mindestens eines in einem Gasgemisch enthaltenen Gases, wie sie in Fig. 1 darge­ stellt ist, aus einer Lichtquelle 1, die ein Globar sein kann, einer Linse 2, der Gasküvette 3, einem den Infrarotbereich isolierenden Interferenzfilter 4, einem Polarisator 5, einem Modulator 6, einer doppelbrechenden Platte 7, einer isotropen Platte 8, einem Analysator 9, einer Fokussierlinse 10 und einem Detektor 11.

Polarisator und Analysator sind periodische Gitter mit nur einer Richtung, deren Gitterkonstanten dem unter­ suchten Frequenzbereich angepaßt sind und die parallel oder senkrecht zueinander stehen, und sind jeweils in einem Winkel von 45° zu den Achsen der doppelbrechenden Platte 7 und des Modulators 6 angeordnet. Die isotrope Platte 8 der Dicke e und mit dem Brechungsindex n erzeugt dadurch einen Gangunterschied Δ=2n · e und ihre parallelen Flächen können mit einer nicht absorbierenden dielektrischen Beschichtung mit Transmissionskoeffizient T₁ und Reflexionskoeffizient R₁ im Fall der ersten, der Quelle zugewandten Fläche und Transmissions- und Reflexionskoeffizient T₂ bzw. R₂ im Fall der zweiten, dem Detektor zugewandten Seite versehen werden. Diese isotrope Platte kann aus Flußspat hergestellt werden, die Verspiegelung der Flächen durch Beschichtung mit Silizium erfolgen. Die doppelbrechende Platte 7 der Dicke e _o und mit dem Betrag der Doppelbrechung Δ n kann aus Magnesiumfluorid hergestellt werden, das erheblich weniger kostspielig ist, als Rutil. Der Modulator 6 hat die Aufgabe, periodisch den durch die Anordnung (7, 8) der doppelbrechenden und isotropen Platte erzeugten Unterschied der optischen Weglänge zu verändern, um lediglich den Interferenzterm zu modulieren, der die quantitativen Informationen über die Anwesenheit des gesuchten Gases enthält. Dieser Modulator kann ein photoelektrischer Modulator sein, der aus einer Sili­ zium- oder Flußspatplatte besteht, die durch eine piezo­ elektrische Keramik derart angeregt wird, daß die genannte Platte eine durch Kompression veränderliche Doppelbrechung aufweist. Die Linsen und die Fenster der Küvette können aus Flußspat hergestellt werden. Der Detektor 11 liefert ein Signal, das durch synchronen Nachweis der Frequenz des Modulators verarbeitet wird, was ein konstantes Signal liefert, dessen Stärke zur Konzentration des untersuchten Gases proportional ist.

Eine derartige Anordnung liefert eine Intensität I gemäß wobei δ (t) der variable Gangunterschied als Funktion der Zeit ist, der durch den photoelastischen Modulator erzeugt wird. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, erzeugt eine derartige Anordnung aus einem einfallenden Strahl vier durchgelassene Strahlen, von denen drei relativ zum ersten Gangunterschiede aufweisen, deren Werte in aufsteigender Reihenfolge, abgeleitet aus dem oben angegebenen Ausdruck für die Intensität I, sind:

e · Δ n, 2n · e = e_o Δ n, 2n · e + e _o Δ n.

Bekanntlich erhält man bei einer Quelle mit einer Breite des Spektrums von Δσ mit einem isotropen Interferometer (einem Zweiwellen-Interferometer) im Zentrum, in der Nachbarschaft von Δ=0, Streifen, die keinerlei inter­ essante Information enthalten, und zwar über eine halbe Breite von Δ=1/Δσ. Für die Anwendung im Infraroten, wo der Gangunterschied e _o Δ n notwendigerweise gering ist, wie wir oben gezeigt haben, muß eine Gruppierung der Bereiche um die Werte von Δ gleich e _o Δ n, 2ne-e _o Δ n und 2ne+e _o Δ n, die, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, die nützliche Information enthalten, um Δ=0 vermieden werden. e _o muß also derart gewählt werden, daß e _o Δ n< 1/Δσ. Andererseits wiederholen sich diese nützlichen Informationen, da δσ die Periodizität des Spektrums ist, mit der Frequenz δσ. Um eine Überschneidung dieser unterschiedlichen Informationsbereiche zu vermeiden, was die Auswertung der Ergebnisse erschweren würde, muß man die Dicke e der isotropen Platte derart wählen, daß

2ne + e _o Δ n 1δσ.

Zum Beispiel weist die Absorptionsstruktur des Kohlen­ monoxids CO eine Periodizität von δσ=2 cm^-1 in einem Bereich von Δσ=200 cm^-1 auf. Bei einer isotropen Platte aus Flußspat mit dem Brechungsindex n=1,4 und der Dicke e = 1,7 mm genügt eine doppelbrechende Platte aus Magnesiumfluorid einer Dicke von e _o=8 mm (statt e _o=500 mm ohne isotrope Platte!).

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt und ist einer Vielzahl von dem Fachmann verständlichen Varianten fähig, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Eine besondere Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ist die - reproduzierbare, preisgünstige und raum­ sparende - Analyse von Gasen, deren quasiperiodischer Absorptionsbereich im Infraroten liegt.

Claims (4)

1. Interferometersystem zur Erzeugung von mehr als zwei durchgelassenen Strahlen, die verschiedene Gangunter­ schiede zueinander aufweisen, aus einem einfallenden Strahl, dadurch gekennzeichnet, daß dieses System zur Verringerung der Dicke der doppelbrechenden Platte aus der Kombination einer doppelbrechenden Platte mit einer isotropen Platte besteht.

2. Interferometersystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Platte aus Magnesiumfluorid und die isotrope Platte aus Flußspat besteht.

3. Interferometervorrichtung zum Nachweis und zur Messung der Konzentration mindestens eines Gases in einem Gasge­ misch, eine Lichtquelle enthaltend, deren Strahl nacheinander durch eine Linse, eine Gasküvette, ein Frequenzfilter, einen Polarisator, eine Anordnung zur Interferometrie und Modulation, einen Analysator und eine Linse fällt, bevor er einen Detektor erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Anordnung zur Interferometrie und Modulation aus einem Interferometer­ system nach Patentanspruch 1 und einem Modulator besteht, die in beliebiger Reihenfolge zwischen Polari­ sator und Analysator angeordnet sind.

4. Anwendung der Vorrichtung nach Patentanspruch 3 für den Nachweis von im Infrarotbereich absorbierendem Gas.