DE4122925C2 - Optisches Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer mit einer an wenigstens einen Lichtwellenleiter angekop­ pelten Beleuchtungseinrichtung zur Anstrahlung eines in einem Meßprobenraum enthaltenen spektroskopisch zu untersuchenden Stoffes, mit einer Monochromatoreinrich­ tung und mit einer Detektoranordnung.

In der DE 39 14 135 A1 ist ein derartiges Spektrometer beschrieben, bei dem Licht aus einer Weißlichtquelle mit Hilfe eines optischen Gitters spektral zerlegt wird. Die verschiedenen Wellenlängen werden über eine Vielzahl von Lichtleitfasern jeweils separaten Detek­ toren zugeführt. Zur Analyse von Probesubstanzen muß bei dem bekannten Spektrometer jeder eine spektrale Komponente führenden Lichtleitfaser eine Probenküvette zugeordnet werden, um eine Analyse über den gesamten genutzten Spektralbereich durchführen zu können. Außer­ dem steigt die Anzahl der benötigten Lichtleitfasern, Probeküvetten und Detektoren mit höherem spektralen Auflösungsvermögen an. Reduziert man die Anzahl der Probeküvetten, so wird der genutzte Spektralbereich bei gleichbleibendem spektralen Auflösungsvermögen einge­ schränkt und ein Wechsel in einen entfernter liegenden Spektralbereich muß durch mechanische Justagen des Gitters und/oder der Lichtleitfasern erfolgen. Diese Justagen führen bekannterweise zu relativ großen Unge­ nauigkeiten in der Spektralanalyse und sind mit den Schrittmotoren in herkömmlichen Spektrometern zudem nur langsam ausführbar. Eine solche Anordnung führt mit der oben beschriebenen Technik bei der Analyse über einen großen Spektralbereich bei sinnvollem spektralen Auf­ lösungsvermögen nachteiligerweise zu hohem Substanzver­ brauch, einem erheblichen apparativen Aufwand und einer entsprechenden Größe des Aufbaus.

Ein der weiteres optisches Spektrometer mit durchstimm­ barer Lichtquelle ist aus der DE-PS 34 03 372 bekannt. Es verfügt über eine als dispergierendes Element ein Prisma enthaltende Monochromatoreinrichtung. Ein Wechsel der Wellenlänge ist mit mechanischen Verän­ derungen oder Justierungen verbunden. Diese nehmen bei einer hohen Verstellgenauigkeit eine verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch, so daß Spektrometer dieser Art einen schnellen Wellenlängenwechsel nicht erlauben. Ein weiterer Nachteil dieses Spektrometer besteht darin, daß es einen großen Platzbedarf hat und sich somit nicht als Miniatur-Analysegerät ausführen läßt.

Ein in der DE 39 01 825 A1 offenbartes optisches Gas­ analysegerät benutzt den elektro-optischen Effekt, um eine Wellenlängenfilterung vorzunehmen. Ein durch Beaufschlagen mit einer variablen elektrischen Spannung in seiner Transimission elektrisch-steuerbares Filter dient bevorzugt der Gasanalyse durch Absorption. Das Wellenlängenfilter hat eine kammartige Transmissions­ charakteristik, wobei die Abstände der Transmissions­ maxima im wesentlichen äquidistant sind. Die Lage der Transmissionslinien kann nur um jeweils den gleichen Betrag in gleicher Richtung verschoben werden. Es ist aber häufig erwünscht, daß das Linienspektrum des transmittierten Lichts mit mehreren Absorptionslinien des Probegases übereinstimmen soll. Da die Lagen der einzelnen Transmissionsmaxima aber nicht unabhängig voneinander wählbar sind, kann es bei nicht äqui­ distanten Adsorptionslinien zu Schwierigkeiten kommen. Die Ausführung des elektro-optischen Bauelementes und die freie Strahlführung führt in Verbindung mit den übrigen optischen Elementen ebenfalls zu entsprechend großen Dimensionen des Gerätes.

Neben thermischen Weißlichtquellen mit einem großen Spektralbereich, aber geringer spektraler Energiedichte werden auch häufig lichtemittierende Dioden, sogenannte LEDs, als Strahlungsquellen verwendet. Sie haben zwar den Vorteil einer höheren spektralen Energiedichte im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich, weisen aber eine deutlich geringere Bandbreite als thermische Lichtquellen auf. Die Druckschrift JP 59-154 338 (A) in Patents Abstracts of Japan P-326, Vol. 9, No. 6, 1985 lehrt daher ein optisches Analysegerät, das mehrere in verschiedenen Wellenlängenbereichen emittierende LEDs zur optischen Analyse eines Teilchenstromes benutzt. Durch die Verwendung von Lichtleitfasern ist eine kleine Bauausführung angestrebt. In dieser Anordnung ist allerdings keine spektrale Analyse vorgesehen, sondern es wird die integrale Intensität des trans­ mittierten, vor Beaufschlagen der Probe nicht gefil­ terten Lichtes gemessen.

Im Journal of Lightwave Technology, Volume 6, No. 6 June 1988, Seite 903 bis 908 ist unter dem Titel "Collinear Acoustooptical TM-TE Mode Conversion in Proton Exchanged Ti : LiNbO₃ Waveguide Structures" ein Effekt beschrieben, der es gestattet, elektronisch durchstimmbare Filter aufzubauen. In Electronics Let­ ters, 9^th November 1989, Vol. 25, No. 23, Seiten 1583 bis 1584 ist unter dem Titel "Integrated Optical, Acoustically Tunable Wavelength Filter" ein elektro­ nisch schnell durchstimmbares Wellenlängenfilter beschrieben. Eine Verwendung eines solchen Filters in einem Spektrometer scheitert zunächst daran, daß der Durchstimmbereich von nur etwa 120 Nanometer zu klein ist.

Ausgehend von dem erörterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches Spektrometer zu schaffen, das sich besonders klein bauen läßt und einen großen Spektralbereich einen schnellen Wellenlängenwechsel der Spektralkomponenten des einen zu untersuchenden Stoff beaufschlagenden Lichtes ohne mechanische Justagen oder Verlust an spektralem Auflösungsvermögen zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Monochromatoreinrichtung durch wenigstens zwei integriert-optische akustisch-steuerbare Wellenlängen­ filter gebildet ist, deren Ausgangslicht nach einer Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Stoff die Detektoranordnung beaufschlagt und daß die Beleuch­ tungseinrichtung aus mehreren, unterschiedliche Spek­ tralbereiche abdeckenden lichtemittierenden Dioden gebildet ist, die über Lichtleitfasern das jeweils zugeordnete Wellenlängenfilter mit breitbandigem Licht beaufschlagen.

Durch die integrierte-optische Bauweise der Mono­ chromatoreinrichtung können sehr kleine Abmessungen erreicht werden, die bei zusätzlicher entsprechender Ausgestaltung der übrigen Bauelemente zu einem besonders kompakten Gesamtgerät führen. Durch den Einsatz mehrerer, in verschiedenen Wellenlängenbe­ reichen emittierender Leuchtdioden steht ein großer Spektralbereich im Eingangslicht der Monochromatorein­ richtung zur Verfügung. Die Verwendung von akustisch- steuerbaren Wellenlängenfiltern ermöglicht eine schnel­ le, justierfreie Verstellung der Transmissionswellen­ längen durch Verändern der Steuerfrequenz des jewei­ ligen Wellenlängenfilters. Dadurch, daß wenigstens zwei akustisch-steuerbare Wellenlängenfilter vorgesehen sind, kann der große Spektralbereich des Eingangs­ lichtes zur spektralen Analyse genutzt werden.

Durch die Verwendung von wenigstens zwei akustisch- steuerbaren Filtern können bei deren unabhängiger Ansteuerung die Lage der Transmissionsmaxima unabhängig voneinander variiert und insbesondere nicht äquidistant eingestellt werden.

Die Verwendung einer einzigen, mit dem zu untersuchen­ den Stoff beaufschlagten Mikroküvette verbindet die Vorteile einer kleinen Dimension mit sehr geringem Substanzverbrauch. Durch eine zweckmäßigerweise parallele Anordnung von Wellenlängenfiltern und zuge­ ordneten Detektoren kann eine parallele Datenverar­ beitung erfolgen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Spektrometers kann die Beleuchtungs- und Filtereinheit von der Detektor­ einheit räumlich getrennt werden. Die optischen Verbin­ dungen werden dann über Lichtleitfasern hergestellt. Dadurch können Untersuchungen an entfernten Orten oder schwer zugänglichen Stellen vorgenommen werden.

Bei einer anderen Ausgestaltung durchläuft ein Licht­ strahl über eine Rückreflektoreinheit zweimal dasselbe Wellenlängenfilter. Dadurch erzielt man neben einer sehr kurzen Bauweise im Vergleich zu einem einfachen Durchlauf eine schmalbandigere Filterwirkung bei gerin­ gerem akustischen Energieeinsatz.

Es ist durch den Einbau zusätzlicher Detektoren mög­ lich, neben Messungen in Transmission auch das an der Probe reflektierte Licht zu messung und dadurch insbe­ sondere Substanzen mit geringer Transparenz zu unter­ suchen.

Weiterhin läßt sich die Anordnung so ausführen, daß entweder durch integriert-optisch ausgeführte Spiegel oder eine gegen die einfallenden Lichtstrahlen geneigte Anordnung der Probeküvette ein Teil des auf die Probe beaufschlagten Lichts einem oder mehreren Referenzde­ tektoren zugeführt wird, um Intensitätsschwankungen des beaufschlagten Lichts zu erfassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Spektrometers,

Fig. 2 einen mikrooptischen Chip für ein erfindungsgemäßes Spektrometer, bei dem der zu untersuchende Stoff über optische Fasern mit Licht beaufschlagt wird,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines be­ sonders kurzen mikrooptischen Chips für ein Spektrometer gemäß der Erfindung,

Fig. 4 einen Teil eines Spektrometers gemäß der Erfindung für eine Mes­ sung sowohl in Transmission als auch in Reflexion und

Fig. 5 einen Teil eines Spektrometers gemäß der Erfindung mit einer schräg zum Strahlengang angeord­ neten Mikroküvette und einer De­ tektoranordnung zur Bildung von Referenzsignalen.

In Fig. 1 erkennt man in perspektivischer Ansicht eine schematisierte Darstellung eines ersten Ausführungs­ beispiels für ein elektronisch steuerbares miniaturi­ siertes optisches Spektrometer für den sichtbaren und nahen Infrarotbereich. Das Spektrometer verfügt über ein Siliziumsubstrat 1 mit einer Länge von bei­ spielsweise 10 bis 12 Zentimetern, einer Breite von 1 bis 2 Zentimetern und einer Dicke von 0,5 Zentimetern. Das Siliziumsubstrat 1 ist anisotrop geätzt und verfügt über eine erste Ausnehmung 2 zur Aufnahme eines XY- LiNbO₃-Substrates 3 (X-Schnitt, Y-Ausbreitung der Wel­ len) sowie über eine zweite Ausnehmung 4 zur Aufnahme einer optischen Mikroküvette 5.

Wie man auf der linken Seite in Fig. 1 erkennt, sind im Siliziumsubstrat 1 weiterhin mehrere parallelverlaufen­ de V-Gruben 6, 7, 8, 9 und 10 zur Aufnahme von monomo­ digen optischen Eingangsfasern 11, 12, 13, 14 und 15 vorgesehen. Weiterhin verfügt das Siliziumsubstrat 1 über fluchtend und gegenüberliegend zu den V-Gruben 6, 7, 8, 9 und 10 angeordnete Hohlräume 16, 17, 18 sowie Lichtkanäle 19. Die Hohlräume 16, 17 und 18 enthalten jeweils eine Mikrolinse 20, 21 und 22 mit einem Durch­ messer von etwa 0,3 Millimetern und TM-Moden absor­ bierende Polarisatoren 23, 24, und 25.

Das durch die Polarisatoren 23, 24 und 25 gelangende Licht durchquert die Mikroküvette 5, die beispielsweise 1 Millimeter dick und 10 Millimeter lang ist, bevor es über die Lichtkanäle 19 zu optischen Detektoren 26, 27 und 28 einer Detektoranordnung 29 gelangt. Die op­ tischen Detektoren 26, 27 und 28 sind an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteelektronik ange­ schlossen. Die Detektoranordnung kann wie in Fig. 1 dargestellt auf einem gesonderten Teil ausgebildet oder direkt auf dem Siliziumsubstrat 1 vorgesehen sein. Die Detektoren 26, 27 und 28 sind für einen Wellenlängenbe­ reich von 0,7 bis 1,8 Mikrometer aus Germanium und für einen Wellenlängenbereich von 0,45 bis 1,1 Mikrometer aus Silizium hergestellt.

Statt einer Anordnung der optischen Detektoren 26, 27 und 28 unmittelbar hinter den Lichtkanälen 19 können alternativ auch optische Fasern zur Lichtübertragung von der Mikroküvette 5 zu der Detektoranordnung 29 vorgesehen sein.

Die Mikroküvette 5 enthält den durch das Spektrometer zu untersuchenden gasförmigen oder flüssigen Stoff, der über eine Eingangsleitung 30 zugeführt und über eine Ausgangsleitung 31 mit Hilfe einer Siliziumpumpe 32 abgeführt wird. Die wellenlängenselektive Absorption des in der Mikroküvette 5 enthaltenen Stoffes wird durch Auswerten der Amplituden der Signale der Detek­ toranordnung 29 unter Berücksichtigung der jeweils zugeführten Wellenlänge des eingespeisten Lichtes er­ halten.

Die Beleuchtungseinrichtung des Spektrometers besteht aus mehreren lichtemittierenden Dioden 33, 34, 35, 36 und 37, die nachfolgend kurz als LED bezeichnet werden. Jede der LEDs erzeugt über einen Spektralbereich von etwa 100 bis 200 Nanometer ein unpolarisiertes Speise­ licht, das direkt in die Speiseenden der monomodigen optischen Eingangsfasern 11-15 eingekoppelt wird. Die Anordnung kann dabei z. B. so getroffen sein, daß die LED 33 Speiselicht im Bereich von 2 Mikrometern, die LED 34 im Bereich von 1,4 Mikrometern, die LED 35 im Bereich von 1,1 Mikrometern, die LED 36 im Bereich von 1 Mikrometer und die LED 37 im Bereich von 0,8 Mikrome­ tern aussendet. Da eine LED in einem optischen Bereich von über 100 Nanometern emittiert, kann mit z. B. fünf LEDs ein durchgehender Spektralbereich von über 500 Nanometern abgedeckt werden.

Die in den V-Gruben 6-10 befestigten Eingangsfasern 11-15 haben beispielsweise einen Durchmesser von 120 Mikrometern und einen Kerndurchmesser von 2-3 Mikro­ metern. Da alle Komponenten des beschriebenen Spektro­ meters fest angeordnet sind, erübrigt sich eine opti­ sche Nachjustierung beim Betrieb des Spektrometers. Zweckmäßigerweise sind die Eingangsfasern 11-15 in den V-Gruben 6-10 eingelegt und anschließend einge­ gossen. Die optischen Eingangsfasern 11-15 erstrecken sich bis zu der in Fig. 1 linken Seite der ersten Aus­ nehmung 2.

Das aus den Eingangsfasern 11-15 austretende Speise­ licht speist ein mehrfaches auf dem XY-LiNbO₃-Sub­ strat 3 aufgebautes integriert-optisches akustisch- steuerbares Filter 38, das es gestattet, über jeden seiner insgesamt fünf Kanäle jeweils nur Licht vorgege­ bener elektronisch auswählbarer Wellenlängen durchzu­ lassen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiel ist ein mehrfaches integriert-optisches aku­ stisch-steuerbares Filter 38, das nachfolgend kurz als mehrfaches IOASF 38 bezeichnet wird, vorgesehen, das über 5 optische Eingänge 39, 40, 41, 42 und 43 sowie über drei optische Ausgänge 44, 45 und 46 verfügt. Das mehrfache IOASF 38 besteht aus 3 integriert-optischen akustisch-steuerbaren Filtern 47, 48, 49, die nachfol­ gend kurz als IOASF bezeichnet sind.

Das IOASF 47 gestattet es, von dem verhältnismäßig breitbandigen über dem optischen Eingang 39 eingespei­ sten Licht der LED 33 nur Licht innerhalb eines wählba­ ren engen Spektralbereichs von beispielsweise 2,8 Nano­ meter durchzulassen.

Der Aufbau und die Funktion eines einzelnen IOASF ist in dem Aufsatz "Integrated Optical, Acoustically Tuna­ ble Wavelength Filter", Electronics Letters, 9^th Novem­ ber 1989, Vol. 25, No. 23, Seiten 1583-1584 beschrieben. Die einzelnen IOASF 47, 48 und 49 des mehrfachen IOASF 38 sind auf dem XY-LiNbO₃-Substrat 3 (X-Schnitt, Y-Aus­ breitung der Wellen) aufgebaut. Statt eines X-Schnittes ist es auch möglich ein Substrat mit einem Y-Schnitt zu verwenden.

Die Filterwirkung der IOASF 47, 48 und 49 beruht auf einer Wechselwirkung zwischen optischen und akustischen Wellen, wobei eingespeiste TE-Moden in TM-Moden oder TM-Moden in TE-Moden konvertiert werden. Die Wellenlän­ ge der jeweils in die komplementäre Mode konvertierten Lichtwellen ist abhängig von der Wellenlänge der je­ weils wechselwirkenden akustischen Oberflächenwellen, so daß durch Verändern der Frequenz der akustischen Oberflächenwellen jeweils diejenige Lichtwellenlänge bestimmt werden kann, bei der eine TE-TM-Modenkonver­ sion erfolgt. Die nicht oder nicht vollständig konver­ tierten Wellenlängen werden mit Hilfe von im Lichtweg vorgesehenen Polarisatoren unterdrückt.

Das erste IOASF 47 des mehrfachen IOASF 38 verfügt über einen sich zwischen dem optischen Eingang 39 und dem optischen Ausgang 44 erstreckenden monomodigen opti­ schen Streifenleiter 50, der durch Ti-Eindiffusion erzeugt ist. Das den Streifenleiter 50 durchquerende Licht durchquert zunächst einen in der Nähe des opti­ schen Eingangs 39 vorgesehenen integriert-optischen Polarisator 51, mit dessen Hilfe die TE-Mode des Ein­ gangslichts herausgefiltert und die TM-Mode absorbiert wird. Infolge der kollinearen akusto-optischen TE-TM- Modenkonversion wird die vom Polarisator 51 durchgelas­ sene TE-Mode entlang dem Streifenleiter 50 in eine TM- Mode konvertiert. Die TM-Mode wird dann von einem zwei­ ten integriert-optischen Polarisator 52 durchgelassen.

Auf der Strecke zwischen dem zweiten integriert-opti­ schen Polarisator 52 bis zum optischen Ausgang 44 er­ folgt eine zweite Konversion des Speiselichtes im Streifenleiter 50, so daß für die erwünschte Wellenlän­ ge am optischen Ausgang 44 eine TE-Mode vorliegt.

Der optische Ausgang 44 befindet sich im Brennpunkt der Mikrolinse 20, die das doppelt konvertierte Speiselicht kollimiert. Anschließend gelangt das Speiselicht über den Polarisator 23, der das in eine TE-Mode konvertier­ te Speiselicht durchläßt, zur Mikroküvette 5.

Die zur Modenkonversion im IOASF 47 verwendeten akusti­ schen Oberflächenwellen werden mit Hilfe eines interdi­ gitalen Wandlers 53 erzeugt, dessen fingerartig inein­ andergreifende Elektroden zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen mit einem in seiner Frequenz durch­ stimmbaren Hochfrequenzsignal über in der Zeichnung nicht dargestellte Leitungen beausschlagt werden. Die zugeführte Hochfrequenz mit einer Spannung von etwa 1 Volt hat eine Frequenz im Bereich von 150-400 Mega­ hertz und läßt sich jeweils über einige Megahertz zur Abstimmung des durchstimmbaren Wellenlängenfilters oder IOASF 47 verändern. In Abhängigkeit von der Speisefre­ quenz des interdigitalen Wandlers 53 hat das über den Polarisator 23 in die Mikroküvette 5 gelangende Speise­ licht eine vorgegebene Lichtwellenlänge innerhalb des von der LED 33 ausgesandten Wellenlängenbereichs. Er­ folgt eine Speisung des Wandlers gleichzeitig mit mehreren Frequenzen, erhält man entsprechend mehrere durchgelassene Lichtwellenlängen oder enge Lichtwellen­ bereiche.

In ähnlicher Weise gestatten es die IOASF 48 und 49 mit den interdigitalen Wandlern 54 und 55 in Abhängigkeit von den den interdigitalen Wandlern 54 und 55 zugeführ­ ten Frequenzen des Hochfrequenzsignals jeweils bestimm­ te Wellenlängen oder enge Wellenlängenbereiche im Licht der LEDs 34-37 auszuwählen, die über die Polarisato­ ren 24 und 25 zur Mikroküvette 5 gelangen. Ein Durch­ stimmen der Frequenzen für die IOASF 47, 48 und 49 gestattet somit ein überstreichen eines vorgegebenen durchgehenden oder Unterbrechungen aufweisenden Spek­ tralbereichs, wobei mit Hilfe der Detektoranordnung 49 und einer in der Zeichnung nicht dargestellten Auswer­ teelektronik eine spektroskopische Untersuchung des in der Mikroküvette 5 vorhandenen Stoffes ermöglicht ist.

Die vom interdigitalen Wandler 53 erzeugten Oberflä­ chenwellen werden in einem monomodigen akustischen Wellenleiter geführt, der mit Hilfe von Mantelbereichen 56, 57 erzeugt ist. Der Kern des akustischen Wellen­ leiters wird von dem Material im Zwischenraum zwischen den Mantelbereichen 56 und 57 gebildet. Zur Erzeugung des akustischen Wellenleiters kann eine Ti-Eindiffusion im Mantelbereich 56 und 57 vorgenommen werden. Alterna­ tiv ist es möglich im Kernbereich zwischen den Mantel­ bereichen 56 und 57 einen Protonenaustausch vorzuneh­ men. Auf diese Weise ergeben sich höhere Geschwindig­ keiten in den Mantelbereichen 56 und 57 und kleinere Geschwindigkeiten für die akustischen Oberflächenwellen im Kernbereich zwischen den Mantelbereichen 56 und 57, durch den sich der optische Streifenleiter 50 er­ streckt. Wie man in Fig. 1 weiter erkennt, sind akusti­ sche Absorber 58, 59 vorgesehen, um Reflexionen der akustischen Oberflächenwellen an den Rändern des Sub­ strates 3 zu vermeiden.

Zusätzlich zum ersten IOASF 47 verfügt das mehrfache IAOSF 38 über das zweite IOASF 48, das für einen ande­ ren Wellenlängenbereich ausgelegt ist. Während das IOASF 47 nur über einen geradlinig durchgehenden Strei­ fenleiter 50 verfügt, ist der Streifenleiter 60 des zweiten IOASF 48 mit einer Y-Verzweigung 61 versehen, so daß zwei Eingangswellenleiter 62, 63 zur Zuführung von Speiselicht der LEDs 34 und 35 verwendet werden können. Das zweite IOASF 48 verfügt eingangsseitig über integriert-optische Polarisatoren 64 und 65 und einen weiteren Polarisator 66, der wie der Polarisator 52 zum Absorbieren einer TE-Mode und zum Durchlassen der durch kollinear laufende akustische Oberflächenwellen umge­ wandelten TM-Mode dient. Das am Polarisator 24 austre­ tende Licht enthält jeweils einen engen Lichtwellenlän­ genbereich des Spektrums der LED 34 und einen anderen kleinen Lichtwellenlängenbereich aus dem Spektrum der LED 35.

Entsprechend enthält bei einer Ansteuerung des Wandlers 55 mit zwei Frequenzen das durch den Polarisator 25 in die Mikroküvette 5 gelangende Speiselicht zwei Licht­ wellenlängen oder enge Lichtwellenlängenbereiche aus den Spektralbereichen der LEDs 36 und 37, wobei die Selektion jeweils über die Frequenz der an den interdi­ gitalen Wandler 55 angelegten Durchstimmspannung er­ folgt.

Beim dritten IOASF 49, dessen Mantelbereich 67 auch als Mantel für den akustischen Wellenleiter des IOASF 48 dient, sind zwei optische Streifenleiter 68 und 69 vorgesehen, die sich durch den Kern des akustischen Wellenleiters erstrecken, der von dem Mantelbereich 67 und einem zweiten Mantelbereich 70 gebildet ist. Die Steuerung der beiden optischen Wellenleiter erfolgt mit dem interdigitalen Wandler 55 in einer der vorangehen­ den Beschreibung entsprechenden Weise. Ähnlich wie das IOASF 48 verfügt das IOASF 49 über Polarisatoren 64, 65 und 66. Das Licht am optischen Ausgang 46 im Brennpunkt der Mikrolinse 22 speist die Mikroküvette 5 nach Durch­ queren des Polarisators 25.

Das anhand der Fig. 1 beschriebene optische Spektrome­ ter läßt sich äußerst kompakt und platzsparend aufbauen und elektronisch sehr schnell durchstimmen. Der Einsatz des mehrfachen IOASF 38 gestattet es, mehrere optische Kanäle zu verwenden und ein Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 1 Nanometer bei einem optischen spek­ tralen Arbeitsbereich von mehr als 500 Nanometer zu erreichen. Schnelle Wellenlängenänderungen sind inner­ halb von Millisekunden möglich. Von Vorteil ist weiter­ hin die parallele Verarbeitung in den parallel geschal­ teten optischen Kanälen. Der Fachmann erkennt, das es möglich ist, die LEDs 33-37 zu modulieren, was unter anderem die Erzeugung von kurzen Impulsen für kineti­ sche Untersuchungen ermöglicht. Lichtmodulation zu Zwecken der Detektion in Lock-in-Verstärkern ist ein­ fach durchzuführen, ohne daß zusätzliche Chopper oder elektrooptische Modulatoren verwendet werden müssen. Da die kollineare Wechselwirkung keine harmonischen Bänder auftreten läßt, ist es nicht notwendig Kantenfilter zu verwenden.

Der Abstand zwischen den Mantelbereichen 56, 57, 67 und 70 ist so gewählt, daß die durch sie gebildeten akusti­ schen Wellenleiter monomodig sind. Die zur Erzeugung der akustischen Wellen vorgesehenen interdigitalen Wandler 53, 54 und 55 können je nach Notwendigkeit so ausgelegt sein, daß sie zum Beispiel eine möglichst große akustische Bandbreite haben oder schmalbandig sind, aber eine stärkere akustische Welle anregen. Zu diesen Zwecken können Wandler mit viel oder weniger Fingerpaare ge-chirpte, fokussierende, apodisierte, unidirektionale etc. Wandler angewendet werden. Die Breite der Wandler soll zu der Breite des entsprechen­ den akustischen Wellenleiters angepaßt werden (gilt nicht für fokkusierende Wandler). Es kann von Vorteil sein, die akustischen Wellenleiter eingangsseitig mit hornförmigen Aufweitungen zu versehen. Das erlaubt, breitere Wandler anzuwenden, die besser an den Ausgang­ swiderstand eines Generators anzupassen sind, was letztlich zu einer Reduzierung der für die Konversion notwendigen elektrischen Energie führt.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein elektronisch steuerbares Spektrometer, bei dem für diejenigen Bauteile, die mit denen des Ausführungsbei­ spiels gemäß Fig. 1 übereinstimmen, die gleichen Be­ zugszeichen verwendet worden sind. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, ist beim Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 2 keine Mikroküvette in unmittel­ barer Nähe des mikrooptischen Chips vorgesehen. Der mit Hilfe des in Fig. 2 dargestellten Spektrometers unter­ suchende Stoff befindet sich vielmehr in einem größeren Abstand von dem in Fig. 2 dargestellten mikrooptischen Aufbau. Auch die Detektoren zur Auswertung der Lichtin­ tensität bei den jeweils verwendeten Lichtwellenlängen befinden sich in einem mehr oder weniger großen Abstand von dem in Fig. 2 dargestellten Teil des Spektrometers.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Licht der LEDs 33, 34, 35, 36 und 37 wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zu den optischen Ausgängen 44, 45 und 46 geführt. Diese be­ finden sich im Brennpunkt der Mikrolinsen 20, 21 und 22, die das von den optischen Ausgängen 44, 45 und 46 kommende Licht kollimieren und über Polarisatoren 23, 24 und 25 weiterleiten. Nach dem Durchtritt durch die Polarisatoren 23, 24 und 25 wird das von den Polari­ satoren 23, 24 und 25 nicht ausgefilterte Licht mit Hilfe zweiter Mikrolinsen 80, 81 und 82 fokussiert, die sich jeweils in gegenüber den Hohlräumen 16, 17; 18 gemäß Fig. 1 vergrößerten Hohlräumen 16, 17, 18 befin­ den.

Das mit den Mikrolinsen 80, 81, 82 fokussierte Licht wird in multimodige optische Fasern 83, 84, 85 einge­ speist. Das von den optischen Fasern 83, 84, 85 geführ­ te monochromatische Licht kann an entfernte Orte oder schwer zugängliche Stellen geleitet und dort zu spek­ troskopischen Zwecken eingesetzt werden. Wie eingangs­ seitig können auch die optische Fasern 83, 84 und 85 als Ausgangsfasern mit Hilfe von einem Si-V-Gruben­ Array direkt an das mehrfache IOASF 38 angekoppelt werden. In einem derartigen Fall entfallen die Mikro­ linsen 20, 21, 22, 80, 81 und 82. Die Polarisatoren 23, 24 und 25 werden in derartigem Fall auf dem LiNbO₃- Substrat integriert hergestellt.

Das von den optischen Fasern 83, 84 und 85 geführte Licht kann über einen Koppler auch in einen einzigen in der Zeichnung nicht dargestellten Lichtwellenleiter eingespeist und dann auf einfache Weise über große Entfernungen, beispielsweise 100 Meter, zum Ort des zu messenden Stoffes geführt werden. Dabei kann das Licht jeder der fünf Kanäle mit einer eigenen Frequenz von beispielsweise 10 Hertz bis 30 Kilohertz moduliert werden.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein besonders kurzes Spektrometer mit einer einseitigen Kopplung. In Fig. 3 erkennt man auf der linken Seite ein Si-V-Gru­ ben-Array 86, das dazu dient, sowohl die optischen Eingangsfasern 11, 12 als auch die optischen Ausgangs­ fasern 83, 84 an das mehrfache IOASF 88 zu koppeln. Bei den Eingangsfasern 11, 12 handelt es sich um monomodige Fasern, jedoch bei den Ausgangsfasern 83, 84 um Multi­ mode-Lichtwellenleiter.

Das von der Eingangsfaser 11 zum mehrfachen IOASF 88 eingespeiste Licht gelangt über den optischen Eingang 39 zum ersten Zweig 89 eines optischen Streifenleiters 90 mit einem Y-Verzweiger 91. Der optische Streifenlei­ ter 90 ist wie bei den eingangs beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen ein Ti-eindiffundierter Wellenleiter. Ober den optischen Eingang 39 gelangt das eingespeiste Licht zunächst zum ersten Zweig 89, das ein protonen­ ausgetauschtes Wellenleiterstück ist und als Polarisa­ tor dient. Das protonenausgetauschte Wellenleiterstück läßt nur die TE-Polarisation (XY-Schnitt LiNbO₃) durch.

Im optischen Streifenleiter 90 wird die TE-Mode in eine TM-Mode in der bereits oben beschriebenen Weise durch eine Wechselwirkung mit akustischen Oberflächenwellen umgewandelt.

Wie man in Fig. 3 rechts erkennt, erstreckt sich der Streifenleiter 90 bis zu einem Spiegel 92, der auf der in Fig. 3 rechten Substratseite des mehrfachen IOASF 88 aufgebracht ist. Unmittelbar vor dem Spiegel befindet sich ein Polarisator 93, der durch zwei protonenausge­ tauschte Bereiche 94 und 95 gebildet ist, die sich auf beiden Seiten und in unmittelbarer Nähe des optischen Streifenleiters 90 befinden.

Auf dem mehrfachen IOASF 88 befinden sich weiterhin Mantelbereiche 56, 57 und 67 zur Bildung zweier akusti­ scher Wellenleiter für die von dem interdigitalen Wandler 53 und dem interdigitalen Wandler 54 erzeugten Oberflächenwellen zur Durchstimmung der Filter.

Zwischen dem optischen Ausgang 44 und dem Y-Verzweiger 91 ist ein protonenausgetauschter Arm als zweiter Zweig 96 vorgesehen. Der zweite Zweig 96 bildet ebenfalls einen Polarisator. Das aus dem optischen Ausgang 44 austretende Licht wird in die Ausgangsfaser 83 einge­ speist und über diese zu dem zu untersuchenden Stoff geschickt.

Von dem durch die LED 33 erzeugten Licht gelangt nur die TE-Mode durch den Polarisator des ersten Zweiges 89 und den Y-Verzweiger 91 in den Streifenleiter 90. Mit der vom Wandler 53 angeregten akustischen Welle wird die TE-Mode des Speiselichts in eine TM-Mode umgewan­ delt während sich das Licht in Richtung auf den Spiegel 92 ausbreitet. Mit Hilfe des Polarisators 93 wird die restliche TE-Polarisation absorbiert. Nach der Re­ flexion am Spiegel 92 läuft die TM-Mode durch den Streifenleiter 90 zurück und wird von derselben akusti­ schen Welle wie bei der Umwandlung auf dem Hinweg zum Spiegel in eine TE-Mode zurück- oder umgewandelt. Im zweiten Zweig 96 wird die restliche TM-Mode von dem protonenausgetauschten Wellenleiterstück elimiert, so daß am optischen Ausgang 44 wieder eine reine TE-Mode vorliegt.

Da das Speiselicht im optischen Streifenleiter 90 innerhalb des akustischen Wellenleiters einen Hinweg und einen Rückweg zurücklegt, ergibt sich eine doppelte Konversion, was zu einem monochromatischen Ausgangssig­ nal in der optischen Faser 83 mit einer sehr schmalen Bandbreite und einer sehr guten Unterdrückung des Untergrundes führt. Für jede Konversion steht die gesamte Kristallänge zur Verfügung. Dadurch ergibt sich eine besonders schmale optische Bandbreite und gegen­ über einer einzigen Konversion innerhalb des akus­ tischen Wellenleiters eine um den Faktor zwei kleinere akustische Energie, die für die Konversion erforderlich ist.

Wie bei den weiter oben beschriebenen Ausführungsbei­ spielen verfügt das mehrfache IOASF 88 ebenfalls über akustische Absorber 58 und 59, die sich quer zur Aus­ breitungsrichtung der Oberflächenwellen auf der Ober­ seite des mehrfachen IOASF 88 in der in Fig. 3 erkenn­ baren Weise erstrecken.

Das mehrfache IOASF 88 enthält neben dem oben beschrie­ benen ersten IOASF mit einem einzigen den akustischen Wellenleiter durchquerenden Streifenleiter 90 ein zweites IOASF mit getrennten Streifenleitern 98, 99 für den Hinweg zu einem Spiegel 100 und den Rückweg vom Spiegel 100.

Das in Fig. 3 unten dargestellte zweite IOASF hat eine ähnliche Wirkungsweise und ähnliche Vorteile wie das oben in Fig. 3 dargestellte erste IOASF. Ein zusätz­ licher Vorteil ergibt sich durch die räumliche Trennung des Eingangs- und Ausgangskanals, die besser vonein­ ander isoliert sind. Innerhalb des akustischen Wellen­ leiters, der vom interdigialen Wandler 54 angeregt wird, befinden sich somit zwei optische Kanäle.

Das Licht der LED 34 gelangt über die monomodige Ein­ gangsfaser 12 und den optischen Eingang 42 zum proto­ nenausgetauschten oberen Arm 101, der als Polarisator wirkt und nur eine TE-Mode durchläßt. Beim Durchqueren des Streifenleiters 98 erfolgt eine TE-TM-Umwandlung. In unmittelbarer Nähe des Spiegels 100 befindet sich ein Polarisator 102 aus mehreren die Streifenleiter 98, 99 einschließenden protonenausgetauschten Bereichen, der nur die TM-Mode durchläßt und nicht umgewandeltes Licht somit absorbiert. Auf dem Rückweg vom Spiegel 100 durch den Streifenleiter 99 wird die TM-Mode durch die Wechselwirkung mit der akustischen Oberflächenwelle im akustischen Wellenleiter in eine TE-Mode umgewandelt und gelangt schließlich in den unteren Arm 103, in dem die restliche TM-Polarisation absorbiert wird, da dieser als integrierter Polarisator ausgebildet ist. Somit liegt am optischen Ausgang 46 eine reine TE-Mode vor. Das Ausgangslicht wird schließlich über die multi­ modige optische Faser 84 zum zu untersuchenden Stoff geführt.

Fig. 4 veranschaulicht ein elektronisch steuerbares Miniaturspektrometer für den sichtbaren und nahen Infrarotbereich, das sowohl in Transmission als auch in Reflexion verwendet werden kann. Aus Vereinfachungs­ gründen ist in Fig. 4 derjenige Teil des Spektrometers nicht mehr dargestellt, der demjenigen Teil entspricht, welcher sich in Fig. 1 links der Mikrolinsen 20, 21 und 22 befindet.

In Abwandlung zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ist die zweite Ausnehmung 4 vergrößert und auf der in Fig. 4 linken Seite mit Detektoren 104, 105, 106 belegt, die es gestatten, von der Mikroküvette 5 oder einem anderen in der zweiten Ausnehmung 4 einge­ brachten Gegenstand zurückgestreutes Licht bezüglich seiner Intensität zu messen. Um ein übersprechen zwi­ schen den einzelnen Kanälen zu vermeiden sind die Detektoren 104, 105, 106 durch Trennstege 107 und 108 optisch voneinander getrennt oder so in Vertiefungen untergebracht, daß die Detektoren 104, 105, 106 jeweils nur das für sie bestimmte Licht erhalten können.

Bei einer Messung in Reflexion wird somit das von der Mikroküvette 5 oder einem sonstigen lichtstreuenden oder lichtabsorbierenden Objekt zu den Detektoren 104, 105 und 106 gelangende Licht ausgewertet.

Bei einer Messung in Transmission erfolgt eine Auswer­ tung des mit Hilfe der Detektoranordnung 29 und den Detektoren 26, 27 und 28 erfaßten Lichtes.

Neben den Detektoren zur Messung in Transmission und Reflexion verfügt der in Fig. 4 dargestellte mikroopti­ sche Chip zusätzlich über einen Referenzdetektor 109, der es gestattet, eine Referenzbildung zur elektro­ nischen Kompensation von Intensitätsschwankungen des Speiselichtes durchzuführen. Dazu ist im Lichtweg hinter der Mikrolinse 22 im Hohlraum 18 ein schräg ver­ laufendes Glasplättchen 110 vorgesehen, das einen Teil des einfallenden Speiselichts rechtwinklig durch einen Lichtkanal 111 zum Referenzdetektor 109 an der in Fig. 4 unteren Seite des mikrooptischen Chips umlenkt.

Der in Fig. 4 dargestellte mikrooptische Chip aus geätztem Silizium gestattet es somit, auch lichtun­ durchlässige Substanzen, insbesondere feste Stoffe oder stark absorbierende Flüssigkeiten in Reflexion zu untersuchen. Daher ist die beschriebene Konstruktion universell für alle in der Nahinfrarot-Spektroskopie auftretenden Fälle. Flüssigkeiten, feste Stoffe, puder­ förmige Substanzen, Öle und Fette können untersucht werden. Wenn anstelle der Mikroküvette 5 andere licht­ streuende oder lichtabsorbierende Objekte in die zweite Ausnehmung 4 eingebracht werden, können dünne Schichten auf einem flachen Träger, dünne Platten aus einem beliebigen Material oder dergleichen untersucht werden. Nach diesem Prinzip können auch Sensoren aufgebaut werden. Es können dann solche Objekte ausgewählt werden, die ihre optischen Eigenschaften (z. B. Farbe) unter der Wirkung eines externen Parameters (z. B. Gas) ändern. Die dabei geänderte Transmission oder Reflexion ist ein Maß für die Stärke der Wirkung des externen Parameters (in diesem Fall für die Gaskonzentration).

Fig. 5 zeigt eine weitere Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Spektrometers, das ebenfalls wie das anhand der Fig. 4 erläuterte Spektrometer die Bildung eines Referenzsignales zur Korrektur des Hauptsignales zuläßt, um dadurch insbesondere Intensitätsfluktuatio­ nen in dem gesamten Spektrometersystem elektronisch kompensieren zu können.

In Abwandlung zu dem in Fig. 1 rechts dargestellten Aufbau zeigt Fig. 5 eine Anordnung der Mikroküvette 5, die nicht rechtwinklig, sondern schräg zum Strahlengang des Speiselichtes ausgerichtet ist. Bei einem Winkel von 45° ist es möglich Referenzdetektoren 109 an der in Fig. 5 unten gezeigten Seite des mikrooptischen Chips zusätzlich zu den Detektoren 26, 27 und 28 an der rechten Seite des mikrooptischen Chips zur Auswertung des Hauptsignals vorzusehen. Bei der in Fig. 5 darge­ stellten Anordnung wird die an der Vorderseite der Mikroküvette 5 auftretende Teilreflexion (etwa 4-5% bei einer Glasküvette) ausgenutzt, um mit Hilfe der Detektoren 109 Referenzsignale zu bilden. Bauteile, die mit den Bauteilen der weiter oben beschriebenen Aus­ führungsformen übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Claims (16)

1. Optisches Spektrometer mit einer an wenigstens einen Lichtwellenleiter angekoppelten Beleuchtungsein­ richtung zur Anstrahlung eines in einem Meßprobenraum enthaltenen spektroskopisch zu untersuchenden Stoffes, mit einer Monochromatoreinrichtung und mit einer Detek­ toranordnung, dadurch gekennzeich­ net, daß die Monochromatoreinrichtung durch wenig­ stens zwei integriert-optische akustisch-steuerbare Wellenlängenfilter (38, 47, 48, 49, 88) gebildet ist, deren Ausgangslicht nach einer Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Stoff (5) die Detektoranordnung (26, 27, 28, 29) beaufschlagt und daß die Beleuchtungsein­ richtung aus mehreren, unterschiedliche Spektral­ bereiche abdeckenden lichtemittierenden Dioden (33, 34, 35, 36, 37) gebildet ist, die über Lichtleitfasern (11, 12, 13, 14, 15) das jeweils zugeordnete Wellenlängen­ filter (47, 48, 49) mit breitbandigem Licht beaufschla­ gen.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wellenlängenfilter (38, 47, 48, 49, 88) jeweils einen akustischen Wellenleiter (56, 57, 67, 70) mit einem interdigitalen Wandler (53, 54, 55) zur Erzeugung von Oberflächenwellen, wenigstens ein Polari­ sationsfilter (23, 24, 25, 51, 52, 64, 65, 66, 93, 102), zwei akustische Absorber (58, 59) und einen von den akustischen Wellenleiter umgebenen optischen Streifenleiter (50, 60, 68, 69, 90, 98, 99) aufweisen.

3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wellenlängenfilter (38, 47, 48, 49, 88) ein XY-LiNbO₃-Substrat aufweisen.

4. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wellenlängenfilter auf einem XY- LiNbO₃-Substrat als mehrfaches integriert-optisches akustisch-steuerbares Wellenlängenfilter (38, 47, 48, 49, 88) aufgebaut sind.

5. Spektrometer nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Streifenleiter (60) eingangsseitig eine Verzweigung (61) zum Einkoppeln des Lichtes zweier lichtemittierender Dioden (34, 35) aufweist.

6. Spektrometer nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens zwei optische Streifenlei­ ter (68, 69) vorgesehen sind, die jeweils mit dem Licht zugeordneter Dioden (36, 37) beaufschlagbar sind.

7. Spektrometer nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optischen Streifenleiter (90, 98, 99) an dem dem Einspeiseende gegenüberliegenden Ende einen Polarisator (93, 102) und einen Spiegel (92, 100) aufweist.

8. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der optische Streifenleiter (90) an dem dem Spiegel (92) gegenüberliegenden Ende eine Y-Ver­ zweigung (91) aufweist.

9. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wellenlängenfilter innerhalb des akustischen Wellenleiters einen ersten optischen Strei­ fenleiter (98), über den das Speiselicht zum Spiegel (100) gelangt, und einen zweiten optischen Streifenlei­ ter (99) aufweist, über den das vom Spiegel (100) reflektierte Licht auskoppelbar ist.

10. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lage der Transmissionsmaxima von mindestens zwei Wellenlängenfiltern (38, 47, 48, 49, 88) unabhängig voneinander einstellbar ist.

11. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Detektoranordnung (29) in unmittelba­ rer Nähe des Meßprobenraumes (4, 5) angeordnet ist, der über eine Linsenanordnung (20, 21, 22) an die Wellen­ längenfilter (38, 47, 48, 49, 88) optisch gekoppelt ist.

12. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausgangslicht der Wellenlängenfilter (38, 47, 48, 49, 88) über multimodige Fasern (83, 84, 85) zu dem zu untersuchenden Stoff geführt ist.

13. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Meßprobenraum (4) eine Mikroküvette (5) für den zu untersuchenden Stoff angeordnet ist.

14. Spektrometer nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikroküvette (5) schräg zur Einfalls­ richtung des Lichtes angeordnet ist und das an der Mikroküvette (5) reflektierte Licht eine Referenz­ signal-Detektoranordnung (109) speist, die eine Kompen­ sation von Intensitätsschwankungen ermöglicht.

15. Spektrometer nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikroküvette (5) rechtwinklig zur Einfallsrichtung des Lichtes und im Abstand von Detek­ toren (104, 105, 106) der Detektoranordnung vorgesehen ist, die das von der Mikroküvette (5) und vom Inhalt der Mikroküvette (5) zurückgestreute Licht zur spektra­ len Auswertung erfassen.

16. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Wellenlän­ genfilter (38, 47, 48, 49, 88) und der Detektoran­ ordnung (29) ein schräg angeordnetes Glasplättchen (110) zur Auskopplung eines Referenzsignales vorgesehen ist.