DE4140988C2 - Erzeugung Planck'scher Schwarzkörperstrahlung mit einer punktförmigen Lichtquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erzeugung Planck′scher Schwarzkörperstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft außerdem ein Verfahren zur optischen Spektroskopie unter Verwendung einer derart erzeugten Schwarz­ körperstrahlung.

Es ist bekannt, für spektroskopische Experimente, insbesondere die Absorptionsspektroskopie, im optischen Bereich des elek­ tromagnetischen Spektrums Gasentladungslampen, insbesondere Xenon- oder Quecksilberdampflampen als Lichtquellen zu ver­ wenden. Diese bekannten Lichtquellen haben jedoch verschiedene Nachteile. Zum einen ist die erreichbare Leuchtdichte infolge ihrer makroskopischen Ausdehnung (Größenordnung mm oder cm) begrenzt. Zum zweiten sind gerade für die Untersuchung von Festkörpern, insbesondere Halbleitern, Lichtquellen erwünscht, deren Emission den optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, also vom infraroten bis in den ultravioletten Bereich, möglichst vollständig und gleichmäßig abdeckt. Das mit Gasentladungslampen erreichbare Lichtemissionsspektrum deckt jedoch jeweils nicht den ganzen optischen Spektral­ bereich mit hinreichender Intensität ab, so daß eine Messung in einem bestimmten Spektralbereich oftmals mangels Licht­ intensität nicht durchgeführt werden kann, und wenn überhaupt, nicht mit der erforderlichen Genauigkeit. Zum dritten finden sich im Emissionsspektrum unerwünschte Fluoreszenzlinien elektronischer Übergänge der Atome des jeweils verwendeten Leuchtmediums, die sich bei einer Messung ebenfalls störend bemerkbar machen können.

Thermische Lichtquellen, wie Glühlampe, Nernststift u. dgl. liefern zwar ein im wesentlichen kontinuierliches Spektrum, die erzielbaren Leuchtdichten im sichtbaren und nahen ultra­ violetten und infraroten Spektralbereich sind jedoch für viele Zwecke unzureichend und kleine Abmessungen des Emissions­ bereiches sind schwer zu erreichen.

In der DE-AS 11 12 785 und der DE-PS 4 43 970 sind Vorrich­ tungen beschrieben, bei denen hitzebeständige Leuchtkörper in einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld erhitzt werden und eine von ihrer Temperatur abhängige Planck′sche Schwarz­ körperstrahlung emittieren. Bei der Anordnung nach der DE-AS 11 12 785 wird in der Umgebung der Materialprobe ein Überdruck erzeugt, der es erlaubt, den Leuchtkörper auf hohe und überkritische Arbeitstemperaturen zu erhitzten, so daß sich das Emissionsspektrum nach kürzeren Wellenlängen er­ weitert. Der Nachteil dieser im Stand der Technik bekannten Anordnungen ist jedoch, daß eine Verkleinerung der Abmessungen des lichtemittierenden Bereichs zur Erzielung einer hohen Leuchtdichte nicht durch einfache technische Maßnahmen reali­ siert werden kann, da die Leuchtkörper stets als Ganzes emittieren. Einer Verkleinerung der Leuchtkörper selbst stehen wiederum praktische Erfordernisse (Handhabbarkeit der Proben) entgegen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung Planck′scher Schwarzkörperstrahlung mit hoher Leuchtdichte anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit der Erfindung wird ein neuartiges Verfahren zur Erzeugung Planck′scher Strahlung vorgeschlagen, wobei die durch das Verfahren geschaffene Lichtquelle selbst durch den Brennfleck eines auf ein Target gerichteten Laserstrahls definiert ist. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in den geringen lateralen Abmessungen der Lichtquelle, die in der Größenordnung von 10 µm bis einige 10 µm liegen können, so daß die Lichtquelle praktisch als punktförmig angesehen werden kann. Weiterhin vorteilhaft ist die Flexi­ bilität der Anordnung, da die Lichtquelle relativ leicht räumlich verschoben werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Tatsache, daß Tem­ peraturen erreicht werden können, die weit über denen her­ kömmlicher Lichtquellen (ca. 2500 bis 3000°) liegen, die durch den Schmelz- oder Siedepunkt des Materials dieser Lichtquellen (z. B. Wolfram) begrenzt sind. Bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren werden Temperaturen weit oberhalb des kritischen Punktes erreicht, indem die Quelle einem hohen Druck aus­ gesetzt wird. Durch die höhere Betriebstemperatur der Quelle erweitert sich der Spektralbereich der emittierten Planck′schen Schwarzkörperstrahlung zu höheren Energien (ins UV) hin.

Die Leuchtdichte steigt also zum einen durch die im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen erheblich kleineren lateralen Abmessungen und zum anderen durch die höhere Emissionstem­ peratur.

Die erreichbare Leuchtdichte übersteigt dadurch die herkömm­ licher thermischer Lichtquellen um ein Mehrfaches.

Besondere Anwendungen oder vorteilhafte Ausgestaltungen des vorliegenden Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Diamantstempel-Hochdruckapparatur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Anordnung eines Versuchsaufbaus zur optischen Absorptions-(2A)- und Reflexionsspektroskopie (2B) unter Verwendung von erfindungsgemäß erzeugter Schwarzkörperstrahlung.

Die Lichtquelle besteht im wesentlichen aus einem Target, vorzugsweise aus einem festen Material in einer Diamant- oder Saphir-Hochdruckzelle, das durch Energiezufuhr, vorzugsweise durch einen Laserstrahl, örtlich auf eine so hohe Temperatur erhitzt wird, daß der erhitzte Emissionsbereich die gewünschte kontinuierliche optische Stahlung emittiert.

Dadurch, daß das Target einem hohen Druck ausgesetzt wird, können überkritische Temperaturen bis zu 6000 K (also weit oberhalb des Schmelzpunktes des Targetmaterials) erreicht und zeitlich konstant gehalten werden. Wenn als Targetmaterial ein festes Material verwendet wird, kann auch der Schmelzpunkt des Materials durch den hohen Druck so weit verschoben werden, daß das Targetmaterial im Betrieb nicht schmilzt und die Emissionstemperatur gleichwohl deutlich über der herkömmlicher Lichtquellen (2500°-3000°) liegt. Das Targetmaterial kann aber auch ein festes Material sein, das bei der Energiezufuhr seinen Aggregatzustand ändert (schmilzt). Das Targetmaterial kann auch ein flüssiges Material sein.

Die punktförmige Ausdehnung der Lichtquelle kann einmal dadurch erreicht werden, daß ein Target mit den oben erwähnten kleinen Abmessungen, also z. B. 10 µm bis zu einigen 10 µm, verwendet wird und dadurch als Ganzes den Emissionsbereich bildet, oder dadurch, daß nur einem entsprechend kleinen Teil des Targets Energie zugeführt wird.

Fig. 1 stellt eine punktförmige Lichtquelle in einer Diamant­ stempel-Hochdruckapparatur dar. Diamantstempel-Hochdruck­ apparaturen werden seit einiger Zeit dazu verwendet, extrem hohe hydrostatische Drucke für verschiedene Anwendungen zu erzeugen. Wie Fig. 1 zeigt, wird der Druck dabei zwischen den Stirnflächen 1a zweier Diamantkristalle 1 erzeugt, die parallel zueinander in einem Abstand von einigen 10 µm voneinander angeordnet sind. Zwischen den Diamantstempeln 1 befindet sich eine Flüssigkeit 2 (z. B. Methanol) als Druck­ überträger. Als Dichtung wird zwischen die Diamantstempel eine mit einem Loch versehene Metallscheibe 4 geklemmt. Die beiden Diamantkristalle 1 sind jeweils an einem feststehenden und einem beweglichen Kolben befestigt, wobei der bewegliche Kolben an einem Ende eines Hebelarms angebracht ist, dessen relative Lage durch eine Druckschraube in Verbindung mit Federkräften manuell verändert werden kann (nicht gezeigt) Ein Teil der ringförmigen Metallscheibe 4 wird in ihrem Außen­ bereich durch den Druck herausgequetscht und dient somit als Dichtung der Hochdruckkammer. Mit Hilfe dieser Anordnung werden heutzutage routinemäßig Drucke von einigen 10¹⁰ Pa erzeugt.

Ein entscheidender Vorteil dieser Apparatur für spektros­ kopische Experimente ist die Lichtdurchlässigkeit der Diamant­ kristalle 1 über den gesamten Bereich des sichtbaren Spektrums. Dies wird in der Ausführungsform nach Fig. 1 dahingehend ausgenutzt, daß ein Target 3 im Inneren der Hoch­ druckkammer angeordnet, d. h. in die druckübertragende Flüssig­ keit 2 eingebettet wird. Ein Laserstrahl, vorzugsweise infra­ roter Wellenlänge, z. B. 1064 nm, wird durch eine Sammellinse (nicht gezeigt) gebündelt, durch einen der beiden Diamant­ kristalle 1 in die Hochdruckkammer eingekoppelt und auf das Target 3 gerichtet, so daß der Brennfleck des Laserstrahls auf der Oberfläche des Targets 3 einen Emissionsbereich 3a für thermische Strahlung bildet.

Die Laserstrahlquelle (nicht gezeigt) kann z. B. ein Neodym-YAG-Laser, ein YLF-Laser, ein CO₂-Laser, ein Halbleiter-Laser oder ein anderer Infrarot-Laser sein.

Das Target 3 kann z. B. ein metallhaltiges Salz oder ein reines Salz oder ein Metall enthalten. Der Laserstrahl kann in einer oberflächennahen Schicht des Targets 3 oder im Target 3 absorbiert werden. Der durch den Laserstrahl bestrahlte Bereich 3a des Targets 3 soll im folgenden als Emissionsbereich 3a bezeichnet werden.

Das Target 3 kann z. B. aus Wolfram oder Molybdän oder einem anderen Übergangsmetall oder deren Boriden, Carbiden oder Nitriden bestehen. Wenn das Targetmaterial ein festes Material ist, so ist es vorzugsweise in einen thermischen Isolator, z. B. Kaliumbromid (KBr) eingebettet. Das Targetmaterial kann dabei in Folienform oder in pulverisierter Form in den Isolator eingebettet sein. Das Targetmaterial kann aber auch aus dem Drucküberträger 2 bestehen.

Die Wahl eines Infrarot-Lasers in der Ausführungsform nach Fig. 1 gewährleistet im allgemeinen, daß die zugeführte optische Strahlungsenergie möglichst vollständig dem Wärme­ system des Targets 3, d. h. des Emissionsbereiches 3a zu­ geführt wird. Es kann aber auch ein Laser anderer Wellenlänge verwendet werden, z. B. vorzugsweise in den Fällen, in denen infrarotes Licht aufgrund von zu geringer Lichtabsorption zu tief in das Material des Targets 3 eindringt.

Wegen der stets vorhandenen Wärmeverluste durch Wärmeleitung, durch Konvektion und durch die für die vorliegende Erfindung bedeutsame Wärmestrahlung steigt die Temperatur T des laser­ beheizten Emissionsbereiches 3a mit zunehmender Bestrahlungs­ dauer nicht immer weiter an, sondern erreicht sehr schnell einen Sättigungswert, von wo an die Temperatur des Emissions­ bereiches 3a bei zeitlich konstant gehaltener auffallender Strahlungsleistung des Laserstrahls ebenfalls zeitlich konstant bleibt. Der Emissionsbereich 3a emittiert eine von seiner Temperatur T abhängige Planck′sche Wärmestrahlung.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Versuchs­ anordnung zur optischen Absorptions- oder Reflexionsspektros­ kopie unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Lichtquelle.

Dabei wird ein Laserstrahl, vorzugsweise infraroter Wellen­ länge, z. B. 1064 nm, durch eine Sammellinse 11 fokussiert und durch einen Umlenkspiegel 12 auf das Target 3 gerichtet. Die vom Emissionsbereich 3a des Targets 3 ausgehende Schwarz­ körperstrahlung wird durch ein Reflexionsobjektiv, bestehend aus einem nach innen gewölbten Spiegel 14 mit einer zentralen Bohrung nach einem nach außen gewölbten Spiegel 15 in ein Lichtbündel mit kleinem Strahlquerschnitt und kleiner Divergenz gewandelt. Die Oberflächen der Spiegel 14, 15 haben vorzugsweise breitbandige Reflexionscharakteristik.

Alternativ kann auch (wie links im Bild gezeigt) bei Materialien mit hoher Eindringtiefe. Des anregenden Laser­ strahls die Anregung von hinten erfolgen.

Die Schwazkörperstrahlung kann dann entweder für ein spektroskopisches Absorptionsexperiment (Fig. 2A) in dem eine zu untersuchende Probe 16 durchstrahlt wird, oder für ein spektroskopisches Reflexionsexperiment (Fig. 2B) bei der die breitbandige Strahlung an der Probe 16 reflektiert wird, genutzt werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur Erzeugung Planck′scher Schwarzkörper­ strahlung, bei welchem einer Lichtquelle (3a), in deren Umgebung ein Überdruck herrscht, Energie in der Weise zugeführt wird, daß sie sich erwärmt, eine zeitlich kon­ stante Temperatur T einnimmt und eine von ihrer Temperatur T abhängige Planck′sche Schwarzkörperstrahlung emittiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3a) ein räum­ licher Bereich eines Targets (3) ist, und daß die Energie­ zufuhr in der Weise erfolgt, daß ein Laserstrahl einer Laserstrahlquelle auf das Target (3) gerichtet wird, und daß die Wellenlänge der Laserstrahlung derart eingestellt wird, daß die optische Strahlungsenergie des Laserstrahls vom Target ganz oder teilweise in Wärmeenergie der Lichtquelle (3a) umgewandelt wird, und daß der durch den Brennfleck des Laserstrahls im oder auf dem Target (3) bestimmte räumliche Bereich die Lichtquelle (3a) ist, und wobei die räumlichen Abmessungen der Lichtquelle (3a) in der Größenordnung von 10 µm oder einigen 10 µm liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruck in der Umgebung des Targets durch eine Diamant- oder Saphirstempel-Hochdruckapparatur erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckapparatur eine Druckkammer (5) aufweist, die mit einem Drucküberträger (2) gefüllt ist, wobei das Target der Drucküberträger selbst oder ein davon verschiedenes Material ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetmaterial ein festes oder ein flüssiges Material ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlquelle ein Neodym-YAG-Laser, ein YLF-Laser, CO₂-Laser, ein Halbleiter-Laser oder ein anderer Infrarot-Laser ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T der Lichtquelle (3a) überkritisch ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T der Lichtquelle (3a) großer oder gleich 3000 K beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T der Lichtquelle (3a) größer oder gleich 5000 K beträgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) ein reines Salz oder ein metallhaltiges Salz oder ein Metall enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) ein Übergangsmetall enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsmetall Wolfram oder Molybdän ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) Graphit enthält.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) Zirkondioxid enthält.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) in einem thermischen Isolator eingebettet ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Isolator Kaliumbromid (KBr) ist.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwarzkörperstrahlung der Lichtquelle (3a) zur spektroskopischen Analyse einer Probe (16) verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (16) von der Schwarzkörperstrahlung durchstrahlt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (16) die Schwarzkörperstrahlung reflektiert.