DE60104327T2 - Verfahren und vorrichtung zur in-line-messung von laserpulsen und verfahren zur messung mittels photoakustischer spektroskopie - Google Patents

Description

• Der Gegenstand dieser Erfindung ist eine In-line-Messvorrichtung von Laserpulsen, die sich insbesondere für ein Verfahren zum Messen mittels photoakustischer Spektroskopie eignet, das einen anderen Aspekt der Erfindung darstellt.
• Die photoakustische Spektroskopie besteht darin, Lichtimpulse durch bestimmte absorbierende Lösungen zu senden, insbesondere von Lanthaniden, Actiniden, Fissionsprodukten (die Ionen wie Nd³⁺ oder Pr³⁺ enthalten) oder Uran. Die optische Energie erzeugt eine Zustandsveränderung der Elektronen der gelösten Körper bzw. Stoffe in dem Fall einer nicht-radiativen Entregung und die Emission einer Schallwelle in der Lösung, die ein Sensor messen kann. Ein Vorteil dieses Spektroskopieverfahrens besteht darin, dass es dann ermöglicht, sehr schwache Konzentrationen von gelösten Körpern bzw. Stoffen zu detektieren, welche diese Energieumwandlungseigenschaften haben. So war es zwar bisher ohne Schwierigkeiten bei qualitativen Messungen anwendbar, man konnte jedoch vor der Erfindung nicht mit einer guten Genauigkeit die Konzentration des Körpers in der Lösung aus der Messung der erzeugten Schallwelle ableiten: die Energie der Schallwelle ist proportional zur optischen Energie und gleichzeitig zur Konzentration des Körpers, was also die Kenntnis des einen wie des anderen nötig macht. Früher benutzte man pyroelektrische oder photoelektrische Sonden, um die Energie der Laserlichtpulse zu ermitteln, musst aber die Sonde einer Serie von Pulsen aussetzen, um ein messbares Resultat zu erhalten, von dem man die Energie eines Pulses durch eine Mittelwertberechnung herleitete. Diese Pulse weisen aber ziemlich empfindliche Schwankungen auf.
• Eine andere Idee würde darin bestehen, Photodioden zu verwenden, die eine Messung der Amplitude jedes Pulses ermöglichen aber eine mit der Wellenlänge variable Übertragungsfunktion haben, während man generell das Bedürfnis hat, die Lösung mit verschiedenen Wellenlängen abzutasten bzw. zu bestreichen. Schließlich muss hervorgehoben werden, dass nur die gepulsten Lichtwellen eine zur Konzentration der Lösung proportionale Schallwelle induzieren. So ermöglicht die Messung der Energie von Laserpulsen Schuss für Schuss eine exakte Normalisierung des in der Lösung erzeugten photoakustischen Signals für eine Anwendung der Formel: A(λ)/E(λ) = Kε(λ)C mit:

A(λ):

Amplitude des Signals in der Lösung,

E(λ):

Energie des einfallenden Lichts,

ε(λ):

molarer Extiktionskoeffizient der gelösten absorbierenden Art

C:

molare Konzentration der gelösten Art.

• Das Dokument US-A-S 048 962 offenbart ein Gerät zur Messung eines gepulsten Lasers mit Hilfe eines eine absorbierende Schicht umfassenden piezoelektrischen Sensors.
• Ein erster Aspekt der Erfindung ist also eine Vorrichtung zu In-line-Messung der Pulsenergien eines Lasers, die eine unabhängige Messung der Amplitude jedes effektiv gesendeten Pulses ermöglicht, und die nicht empfindlich ist bezüglich der Wellenlänge des Lichts. Diese Vorrichtung wird durch einen piezoelektrischen Sensor ohne die frühere bzw. vordere Schutzschicht gebildet, dessen Resonanzfrequenz wenigstens 50-mal niedriger ist als der Kehrwert der Dauer der Pulse. Die in dem piezoelektrischen Sensor erzeugte Druckwelle ist dann proportional zu der Amplitude des einfallenden Lichtpulses und unabhängig von seiner Wellenlänge. Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass die Schutzschichten, die bei anderen Anwendungen häufig vor den Sensoren vorhanden sind, um sie vor dem direkten Aufprall einer Welle zu schützen, sich auch dampfend auf den Laserpuls auswirken und ihn nivellieren, was eine inkorrekte Reaktion des Sensors zur Folge hat. Ihre Hypothese besteht dann, dass dies durch die multiplen Reflexionen von Teilen des Pulses auf den Oberflächen der Schutzschicht verursacht wird. Diese Reflexionen in der Schutzschicht absorbieren eine unbekannte Menge der Energie des Laserpulses, die von seiner Wellenlänge abhängt. Es ist daher unerlässlich, den piezoelektrischen Sensor aus einem homogenen Material herzustellen, um zu ermöglichen, korrelierte quantitative Reaktionen mit einer bekannten Einfallenergie zu messen, um nützliche Frequenzhube durchzuführen, die in der Molekularspektroskopie oft unerlässlich sind. Zudem ermöglicht das Weglassen der Schutzschicht, als Reaktion ein Signal in Form einer einzigen gedämpften Sinuswelle zu erhalten, ohne nachträgliche, die Synchronisation der Messung störende Echos. Der erfindungsgemäße Sensor wird eventuell nur durch ein bei den im Handel erhältlichen Sensoren übliches Viertelwellenlängenplättchen, dessen Bedeutung darin besteht, die akustische Impedanz zwischen der Kopplungsflüssigkeit und dem Sensor anzupassen und dabei die akustischen Interterenzen zu verringern, ohne dass es – dank seiner Dünnheit – zu messbaren Dämpfungen oder Reflexionen kommt. Dieser Sensor kann in einem Teil des Laserstrahls angeordnet werden, der durch eine Teilerplatte vom Hauptweg abgelenkt wird. Da es sich um einen bekannten und konstanten abgelenkten Teil innerhalb eines breiten aber begrenzten Wellenlängenbereichs handelt, ermöglicht die Messung durch den piezoelektrischen Sensor, den Wert des Rests des Pulses zu bestimmen, der dem Versuch oder der Messung und insbesondere, wie erwähnt, einer Messung mittels photoakustischer Spektroskopie zugeordnet ist, die einen Lichtfrequenzhub umfassen kann.
• Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den 1 und 2 beschrieben, die zwei ihrer möglichen Realisierungen darstellen. In der 1 emittiert ein gepulster Laser periodisch einen Strahl 2 in Richtung eines Behälters 3, der eine zu untersuchende flüssige Probe enthält und an dessen Boden sich ein akustischer Sensor 4 befindet, der die akustischen Wellen misst, die durch die Umwandlung des optischen Strahls 2 in dem Behälter 3 bei Vorhandensein von bestimmten gelösten Körpern bzw. Stoffen erzeugt werden. Der Strahl 2 durchquert jedoch, ehe er den Behälter 3 erreicht, eine Teilerplatte 5, wo ein Teil 6 des Strahls abgelenkt wird in Richtung eines piezoelektrischen Sensors 7, dessen Messungen durch einen Vorverstärker 8 und eine Messeinrichtung 9 ausgewertet werden. Das Signal des Sensors 4 wird durch einen dem Vorverstärker 8 analogen Vorverstärker 8' verstärkt. Die Messeinrichtung 9 empfängt die beiden Messungen, wobei jeder Schuss bzw. Puls durch ein von dem Laser 1 empfangenes Signal synchronisiert wird. Der Vergleich der von den Detektoren 4 und 7 stammenden Messungen ermöglicht der Messeinrichtung 9, das Resultat des Versuchs zu normalisieren. Das piezoelektrische Material des Detektors 7 ist aus den weiter oben genannten Gründen nackt, das heißt ohne Schutzschicht, aber es kann ein üblicherweise verwendetes Viertelwellenlängenplättchen vorhanden sein, das die Genauigkeit der Messung nicht beeinträchtigt. Versuche haben gezeigt, dass die Amplitude des durch den Sensor 7 durch piezoelektrischen Effekt erzeugten Stroms proportional ist zu der Amplitude des Teils 6 des Pulses des Strahls 2, und des Pulses bzw. der Pulsation selbst. Wie die 2 zeigt, kann eine optische Faser 10 auf dem Weg des Teils 6 des Strahls angeordnet sein, zwischen der Tellerplatte 5 und dem Sensor 7, um den abgelenkten Teil der Pulse bequemer zu leiten.
• Nun folgt eine detailliertere Beschreibung der Vorrichtung. Der Laser 1 kann ein abstimmbarer gepulster Laser mit optisch parametrischem Oszillator (laser pulsé accordable à oscillateur paramétrique optique) mit 220 bis 1800 nm Lichtwellenlänge sein, wobei der Pumplaser ein YAG-Laser sein kann, die Schuss- bzw. Pulsfrequenz kann 10 Hz betragen und die Pulsdauer 10 ns. Die optische Faser 10, zum Beispiel aus Silicium, kann eine Länge von 2 m und einen Durchmesser von 550 μm haben und 99 % des Lichts über alle abgetasteten Wellenlängenbereiche im sichtbaren Bereich übertragen. Der piezoelektrische Sensor 7 kann zylindrisch sein, einen Durchmesser von 10 mm und eine Nennfrequenz von 250 kHz haben, das heißt Perioden von 4 Mikrosekunden. Noch genauer ausgedrückt beträgt das Verhältnis aus Schwingungsperiode des piezoelektrischen Sensors 7 und Pulsdauer des Lasers 1 wenigstens 50. Dieses System ist ausgeführt worden, um photoakustische Spektren von Lösungen aufzuzeichnen, die zum Beispiel Lanthanide wie Uran (IV) enthalten. Es wurden umfangreiche Versuche mit den Wellenlängen 450, 526, 650 und 800 nm durchgeführt und mit Messungen geeichter pyroelektrischer Sonden korreliert. Sie haben sowohl die Lineantät der Reaktion des piezoelektrischen Sensors 7 als auch seine Wellenlängen-Unabhängigkeit bewiesen. Die Gesamtenergien der in Richtung piezoelektrischer Sensor 7 abgestrahlten Pulse betrug 0,15 mJ und erzeugte Amplituden von mehreren 100 mV innerhalb eines Messbereichs der Vorrichtung 9, der bis ungefähr 1 V gehen konnte, so dass man eine Gültigkeit bzw. Richtigkeit der Messung bis zu Energien in der Größenordnung eines mJ erwarten kann.
• Erwartet wird die Ausdehnung dieses Verfahrens auf die Messungen der radioaktiven Elemente im Kernbrennstoff.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur In-line-Messung von Pulsen (2) eines Lasers (1), den zu untersuchenden Laser (1) umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem einen piezoelektrischen Sensor (7) ohne Schutzschicht und mit einer Resonanzfrequenz umfasst, die wenigstens fünfzigmal kleiner ist als der Kehrwert der Pulsdauer.
2. Vorrichtung zur In-line-Messung von Pulsen eines Lasers (1) nach Anspruch 1, eine Teilerplatte (5) umfassend, wobei der Sensor (7) sich in einem Teil (6) des Strahls des Lasers (1) befindet, der durch die Teilerplatte (5) von einem Hauptweg abgelenkt wird.
3. Vorrichtung zur In-line-Messung von Pulsen eines Lasers (1) nach Anspruch 2, einen zusätzlichen Sensor (4) umfassend, wobei der piezoelektrische Sensor (7) und der genannte Sensor (4), der eine mittels eines Teils des zu dem abgelenkten Teil komplementären Strahls gemachte Hauptmessung aufzeichnet, mit einer selben Messeinrichtung (9) verbunden sind.
4. Verfahren zur Messung mittels fotoakustischer Spektroskopie, bei dem ein Medium (3) mit Pulsen eines Lasers (1) bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude jedes Pulses durch eine Vorrichtung nach Anspruch (3) gemessen wird.
5. Verfahren zur Messung mittels fotoakustischer Spektroskopie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungen durch eine Abtastung mit Lichtfrequenz erfolgt.