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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Laserspektroskopie und
insbesondere Systeme und Verfahren zur Erzeugung von präzise bekannten Wellenlängen für Laserspektroskopie.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bei
der Absorptionsspektroskopie mittels abstimmbarer Laserdioden (TDLAS)
kann eine von einem abstimmbaren Diodenlaser emittierte einzelne Wellenlänge als
Quelle zum Messen der Absorptionsspektren eines Prüfmaterials
verwendet werden. Abstimmbare Laser können auf die Mitte eines Spektralmerkmals
von Interesse "eingerastet" werden, indem das
optische Signal von dem abstimmbaren Laser durch ein "Probenvolumen" geleitet wird, das
das Material enthält,
und die differenzielle Absorption mit einem Detektor gemessen wird.
Das Probenvolumen kann beispielsweise eine Zelle in einem Labor
oder ein Volumen in der Atmosphäre
sein. Indem die Wellenlänge
des abstimmbaren Lasers moduliert wird, die Reaktion gemessen wird
und ein oder mehrere Derivate berechnet werden, kann der abstimmbare Laser
präzise
auf die Mitte des gewünschten
Absorptionsmerkmals "auf
einer Linie eingerastet" werden.
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Die
Bestimmung der Konzentration des Prüfmaterials erfordert im allgemeinen
exakte Kenntnis von Temperatur und Druck und Absorptionsmessungen
des Prüfmaterials
als Funktion der Wellenlänge. In
vielen Fällen
ist es erforderlich, die Absorption bei mehr als einer Wellenlänge zu messen,
um die Konzentration des Prüfmaterials
exakt zu bestimmen. Obgleich "Linien-Einrast-" Techniken präzise auf
ein bestimmtes Spektralmerkmal einrasten können, erlauben diese Techniken
nicht ohne weiteres präzise Messungen,
beispielsweise entlang einer Seite des gewünschten Spektralmerkmals oder
eines anderen, nahe gelegenen Spektralmerkmals. Ohne derartige Messungen
ist eine Präzisions-Spektroskopie
und Bestimmung einer Materialkonzentration gegebenenfalls nicht
möglich.
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Das
US-Patent Nr. 4,817,101 offenbart ein Überlagerungs-Laserspektroskopie-system,
das Überlagerungs-Lasertechniken
zur Verarbeitung von präzisen
Laser-Frequenzverschiebungen von einer Referenzfrequenz verwendet
und die Spektralanalyse eines Laserstrahles bietet.
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Daher
besteht Bedarf für
Mechanismen in einem Laserspektroskopiesystem, die die Erzeugung mindestens
einer präzise
bekannten Wellenlänge
zur Bestimmung der Konzentration eines Prüfmaterials erlauben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung ist in den Patentansprüchen
1 und 8 definiert. Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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In
den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 8 beschriebene Systeme und Verfahren messen präzise die überlagerten
optischen Signale, die von mindestens zwei Quellen erzeugt werden,
und stellen eine der optischen Quellen unter Verwendung der präzisen Messung
ein. Genauer ausgedrückt
ermöglicht
ein Spektrum-Analysator die präzise
Messung von Frequenzunterschieden in dem elektrischen Signal, die
verwendet werden können,
um eine Laserquelle in Bezug auf die andere präzise abzustimmen. Derartige
präzise
abgestimmte Quellen können
für die
Laserspektroskopie eines Probenvolumens verwendet werden.
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Gemäß einem
Zweck der hierin verkörperten und
ausführlich
beschriebenen Erfindung kann ein Verfahren das Erzeugen eines optischen Überlagerungssignals
aus mindestens zwei optischen Quellen und das Messen der optischen Überlagerungssignale
mit einer Präzision
größer als
100 MHz einschließen,
um einen präzisen
Messwert zu erhalten. Eine der optischen Quellen kann unter Verwendung
des präzisen
Messwerts eingestellt werden.
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In
einer weiteren Umsetzung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren das Einstellen
eines ersten Lasers, so dass er ein erstes Signal mit einer ersten
Wellenlänge
abgibt, und das Kombinieren des ersten Signals und eines zweiten
Signals von einem zweiten Laser einschließen, um einen kombiniertes
optische Signal zu bilden. Das kombinierte optische Signal kann
in ein kombiniertes elektrisches Signal umgewandelt werden. Das
kombinierte elektrische Signal kann gemessen werden, um einen präzisen Messwert
zu erzeugen. Eine zweite Wellenlänge
des zweiten Signals kann in Bezug auf die erste Wellenlänge unter
Verwendung des präzisen
Messwerts eingestellt werden.
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In
einer weiteren Umsetzung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann ein System zum Abstimmen einer
oder mehrerer zweiter Strahlungsquellen in Bezug auf eine erste
Strahlungsquelle einen Koppler enthalten, der so konfiguriert ist,
dass er Ausgangssignale von der ersten Strahlungsquelle und einer
zweiten Strahlungsquelle kombiniert, um eine Überlagerungssignal zu erzeugen,
das einen Frequenzunterschied zwischen den Ausgangssignalen von
der ersten Strahlungsquelle und der zweiten Strahlungsquelle enthält. Ein
Fotodetektor kann so konfiguriert sein, dass er das Überlagerungssignal
in ein elektrisches Signal umwandelt, das den Frequenzunterschied
enthält.
Ein Spektrum-Analysator kann so konfiguriert sein, dass er den Frequenzunterschied
in dem elektrischen Signal misst und einen präzisen Differenzwert erzeugt.
Eine Steuereinrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie eine
Wellenlänge
der zweiten Strahlungsquelle in Bezug auf diejenige der ersten Strahlungsquelle
auf der Grundlage des präzisen
Differenzwerts einstellt.
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In
einer weiteren Umsetzung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann ein System zum Abstimmen eines
zweiten Lasers in Bezug auf einen ersten Laser einen Detektor enthalten,
der so konfiguriert ist, dass er ein Offset-Signal erzeugt, das einer Frequenzdifferenz
zwischen Ausgangssignalen des ersten Lasers und des zweiten Lasers
entspricht. Ein Spektrum-Analysator kann so konfiguriert sein, dass
er eine Frequenz des Offset-Signals misst und einen präzisen Messwert
erzeugt. Eine Steuereinrichtung kann so konfiguriert sein, dass
sie das Ausgangssignal des zweiten Lasers in Bezug auf das Ausgangssignal
des ersten Lasers unter Verwendung des präzisen Messwerts abstimmt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beiliegenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung eingeschlossen
sind und einen Teil derselben bilden, erläutern eine Ausführungsform der
Erfindung und erklären
zusammen mit der Beschreibung die Erfindung.
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1 zeigt
ein beispielhaftes Laserspektroskopiesystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
eine beispielhafte Steuereinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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3 zeigt
eine beispielhafte, dem Computer aus 2 zugehörige Datenbank
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt
eine beispielhafte, in der Datenbank aus 3 gespeicherte
Spektroskopiedatentabelle in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
ein Ablaufdiagram, das einen beispielhaften Lasersteuerungsprozess
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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6 ist
ein Ablaufdiagram, das eine beispielhafte Messungsverarbeitung in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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7A–7D sind
eine Anzahl von Spektralmerkmalskurven, die verschiedene Abtasttechniken
grafisch darstellen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Die
folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf
die beiliegenden Zeichnungen. Die gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen
Zeichnungen bezeichnen die gleichen oder ähnliche Elemente. Ferner schränkt die
folgende detaillierte Beschreibung die Erfindung nicht ein. Der Schutzumfang
der Erfindung ist vielmehr durch die beigefügten Patentansprüche definiert.
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Systeme
und Verfahren in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung können
Mechanismen schaffen, um einen oder mehrere Laser unter Verwendung
von überlagerten
Differenzsignalausgängen
von einem Fotodetektor einem Haupt-Laser unterzuordnen. Der Fotodetektorausgang
kann einen Frequenzunterschied zwischen einem jeweiligen untergeordneten
Laser und dem Haupt-Laser aufweisen, der dann, wenn er von einem
Spektrum-Analysator gemessen wird, zum Einstellen der Frequenz des
Ausgangsignals von dem Neben-Laser auf einen präzisen Wert verwendet werden
kann.
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BEISPIELHAFTES
LASERSPEKTROSKOPIESYSTEM
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1 zeigt
ein beispielhaftes Laserspektroskopiesystem 100 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Das System 100 kann einen Haupt-Laser 105,
einen oder mehrere Neben-Laser 110-1 bis 110-n,
einen oder mehrere Faserkoppler 115-1 bis 115-n,
einen elektrischen Schalter 125, einen Spektrum-Analysator 130,
einen optischen Schalter 135, eine Steuereinrichtung 140,
ein Probenvolumen 145, eine Lasersteuereinrichtung 150 und
einen Absorptions-Fotodetektor 155 aufweisen.
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Der
Haupt-Laser 105 kann einen abstimmbaren Laser enthalten,
der von einem Steuersignal gesteuert wird. In Abhängigkeit
von dem Steuersignal kann der Haupt-Laser eine beliebige Anzahl
von Referenzfrequenzen fREF emittieren.
Der Haupt-Laser 105 kann beispielsweise ein Distributed-Feedback-Laser
(DFB) sein, der hinsichtlich der Frequenz/Wellenlänge über eine
Kombination von Temperatur und Strom präzise abstimmbar ist. Zu den Beispielen
derartiger abstimmbarer Laser zählen Gas-,
Feststoff-, Dioden- und andere Arten von Lasern.
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In ähnlicher
Weise können
die Neben-Laser 110-1 bis 110-n (von welchen zum
Zweck der Erläuterung
nur einer erörtert
wird) jeweils einen abstimmbaren Laser enthalten, der durch ein
von dem Steuersignal für
den Haupt-Laser 105 separates Steuersignal gesteuert wird.
In Abhängigkeit
von dem Steuersignal kann der Neben-Laser 110-1 eine beliebige Anzahl
von Testfrequenzen fTEST emittieren. Der
Neben-Laser 110-1 kann ebenfalls beispielsweise einen Distributed-Feedback-Laser (DFB) enthalten,
der hinsichtlich Frequenz/Wellenlänge durch eine Kombination
aus Temperatur und Strom präzise
abstimmbar ist.
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Faserkoppler 115-1 bis 115-n können so konfiguriert
sein, dass sie ihre jeweiligen Eingangssignale zu jeweiligen einzelnen
Ausgangssignalen kombinieren. In der Konfiguration aus 1 werden die
Ausgangssignale von dem Haupt-Laser 105 und dem Neben-Laser 110-1 beispielsweise
durch den Faserkopplers 115-1 kombiniert, um ein Überlagerungslasersignal
am Ausgang des Faserkoppler 115-1 zu erzeugen. Ein derartiges Überlagerungssignal
kann eine Differenzkomponente im Mikrowellenbereich (1–20 GHz)
aufweisen. Andere Faserkoppler 115-2 bis 115-n können so
konfiguriert sein, dass sie das Ausgangssignal von dem Haupt-Laser 105 mit einem
jeweiligen Neben-Laser 110-2 bis 110-n in ähnlicher
Weise wie vorstehend unter Bezug auf den Faserkoppler 115-1 beschrieben
kombinieren.
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In
einer Umsetzung in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der Erfindung kann mindestens ein Faserkoppler 115-n beispielsweise
durch Hinzufügen eines
optischen Schalters so modifiziert sein, dass er die Überlagerung
von zwei Neben-Lasern 110 erlaubt.
Eine derartige Anordnung kann das Einstellen eines ersten Neben-Lasers
(z. B. 110-1) in Bezug auf den Haupt-Laser 105 erleichtern
und das anschließende
Einstellen eines zweiten Neben-Lasers (z. B. 110-2) in
Bezug auf den ersten Neben-Laser. Obgleich sie als "Faserkoppler" bezeichnet werden,
ist für
den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass die Koppler 115 jede
Art von optischen Kopplern einschließen können und nicht notwendigerweise
auf mit der Faseroptik in Bezug stehende Koppler beschränkt sind.
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Fotodetektoren 120-1 bis 120-n können so konfiguriert
sein, dass sie ein oder mehrere optische Überlagerungssignale von den
Faserkopplern 115-2 bis 115-n in entsprechende
elektrische Signale umwandeln. Die Fotodetektoren 120-1 bis 120-n können beispielsweise
Hochgeschwindigkeits-Fotodioden (das heißt mit hoher Bandbreite) einschließen. In
der Praxis enthält
ein optisches Überlagerungssignal
sowohl die Summe als auch die Differenz der Frequenzen seiner jeweiligen
Komponenten (das heißt
Signale von dem Haupt- und einem Neben-Laser). Die Fotodetektoren 120-1 bis 120-n können die
Differenzfrequenz fDIFF erfassen, da die
Summenfrequenz über
dem Frequenzbereich der Fotodetektoren liegen kann.
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Der
Schalter 125 kann auf der Grundlage eines Schaltsteuersignals
unter den elektrischen Ausgangssignalen von den Fotodetektoren 120-1 bis 120-n auswählen. Der
Schalter 125 kann ein oder mehrere ausgewählte elektrische
Signale mit der Frequenz fDIFF ausgeben.
In einer anderen Umsetzung in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der Erfindung kann die Kombination der Fotodetektoren 120 und
des Schalters 125 durch einen optischen n-zu1-Schalter
und einen einzelnen Fotodetektor ersetzt sein. Eine derartige alternative
Umsetzung würde
auch die Um wandlung eines optischen Signals von einem ausgewählten Faserkoppler 150 in
ein elektrisches Signal bei einer Frequenz fDIFF erzielen.
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Der
Spektrum-Analysator 130 kann das elektrische Signal von
dem Schalter 125 empfangen und kann seine Frequenz fDIFF präzise
messen. Der Spektrum-Analysator 130 kann
beispielsweise einen Agilent® 85835 oder einen anderen
Typ eines Spektrum-Analysators umfassen. Derartige Spektrum-Analysatoren
können
eine Präzision
bei ihren Messungen von bis zu einem Teil in 109 (z.
B. ein Hz pro GHz) erzielen.
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Die
Verwendung eines Spektrum-Analysators (oder eines ähnlichen
Instruments) zum präzisen Messen
eines von einem optischen Signal erhaltenen elektrischen Signals
kann beispielsweise eine in der Größenordnung des Eintausendfachen
höhere Präzision als
die Messung des optischen Signals direkt mit einem Wellenmesser
erreichen. Als Beispiel kann die Auflösung eines Wellenmessers bei
1,5 μm 0,5
pm sein. Im Gegensatz dazu kann die Auflösung eines Spektrum-Analysators bei der
gleichen Wellenlänge
1 MHz zu 1 kHz sein, was 0,008 zu 0,000008 pm entspricht. Somit
erlaubt die Messung mit dem Spektrum-Analysator 130, wie
in 1 gezeigt, die Bestimmung von fDIFF wesentlich
präziser
als mit optischen Messtechniken, was wiederum eine präzisere Einstellung
(d.h. eine "feinere" Abstimmung) beispielsweise
der Neben-Laser 110-1 bis 110-n erlaubt.
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Der
optische Schalter 135 kann unter dem Ausgangssignal des
Haupt-Lasers 105 und einem oder mehreren Ausgangssignalen
von Neben-Lasern 110-1 bis 110-n auswählen. Der optische Schalter 135 kann
durch ein Steuersignal gesteuert werden, das bestimmt, welche unter
den Ausgangssignalen von den Neben-Lasern 110-1 bis 110-n und
dem Ausgangssignal des Haupt-Lasers 105 ausgewählt und
von dem Schalter ausgegeben werden. Das von dem optischen Schalter 135 ausgegebene
optische Signal wird durch ein Probenvolumen 145 übertragen.
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Das
Probenvolumen 145 kann ein durch Laserabsorptionsspektroskopie
zu untersuchendes Material enthalten. In einer Umsetzung kann das
Probenvolumen 145 eine Zelle beispielsweise in einer Laborumgebung
enthalten. In anderen Umsetzungen kann das Probenvolumen 145 ein
Volumen der Atmosphäre
enthalten, das einen streuenden Hintergrund (z. B. die Erde für ein abwärts gerichtetes
Sys tem 100) haben kann oder nicht haben kann. Das Probenvolumen 145 kann
eine Substanz enthalten, die mindestens ein Absorptions-/Reflexionsmerkmal hat,
auf das der Haupt-Laser 105 gesperrt werden kann.
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Der
Fotodetektor 155 kann von dem Probenvolumen 145 reflektierte
oder durch dieses durchgelassene optische Strahlung erfassen. Der
Fotodetektor 155 kann so konfiguriert sein, dass er die
empfangene optische Energie in ein elektrisches Signal umwandeln,
das entweder durch den Fotodetektor 145 oder durch eine
nachfolgende Verarbeitung so kalibriert werden kann, dass es der
optischen Energie entspricht.
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Die
Lasersteuereinrichtung 150 kann so konfiguriert sein, dass
sie den Haupt-Laser 105 und einen oder mehrere Neben-Laser 110-1 bis 110-n steuert.
Die Lasersteuereinrichtung 150 kann diese Steuerung beispielsweise
dadurch durchführen,
dass sie den Strom verändert,
der den Haupt-Laser 105 und die Neben-Laser 110 ansteuert. Die Lasersteuereinrichtung 150 kann
wiederum Rückkopplungssignale von
diesen Lasern empfangen, um ihre Steuerung zu unterstützen. Die
Lasersteuereinrichtung 150 kann den Haupt-Laser 105 und
einen oder mehrere Neben-Laser 110-1 bis 110-n auf
der Grundlage von Eingabesteuersignalen steuern, die sie empfängt.
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Die
Steuereinrichtung 140 kann Eingabesignale von dem Fotodetektor 155 und
dem Spektrum-Analysator 130 empfangen und kann so konfiguriert
sein, dass sie Steuersignale für
die Lasersteuereinrichtung 150, den Schalter 125 und
den optischen Schalter 135 auf der Grundlage der Eingabesignale
erzeugt. Die Steuereinrichtung 140 kann so konfiguriert
sein, dass sie die Lasersteuereinrichtung 150 anweist,
unter Verwendung von herkömmlichen Mechanismen
die Wellenlänge/Frequenz
des Haupt-Lasers 105 und/oder der Neben-Laser 110 einzustellen.
Die Steuereinrichtung 140 kann auch so konfiguriert sein,
dass sie den Haupt-Laser 105 auf ein bestimmtes Spektralmerkmal
sperrt, und kann Schaltungen (z. B. einen Phasenregelkreis etc.)
enthalten, um das Sperren eines Lasers auf einen bestimmten Spektralpeak
oder ein bestimmtes Spektralmerkmal zu erleichtern.
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In
einer Umsetzung in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der Erfindung kann in dem System 100 ein
Kontrollvolumen beziehungsweise eine Zelle (nicht dargestellt) vorhanden
sein, um dem Master-Laser 105 eine kontrollierte Probe
zur Verfügung zu
stellen, auf die er gesperrt werden kann. Beispielsweise kann es
wünschenswert
sein, die Weglänge, Gaszusammensetzung,
den Druck und die Temperatur der Zelle zu dem Zweck zu optimieren,
den Master-Laser 105 auf ein bestimmtes Merkmal exakt zu sperren.
Beispielsweise kann ein Gas in der Kontrollzelle eine Konzentration
von 100% haben, jedoch einen niedrigen Druck, um die Druckerweiterung
zu minimieren.
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Wenn
die Kontrollzelle (nicht dargestellt) in dem System 100 nicht
vorhanden ist, kann das Signal von dem Master-Laser 105 jedoch
von dem optischen Schalter 135 durch das Probenvolumen 145 geleitet
werden. Sobald der Master-Laser 105 auf ein Spektralmerkmal
des Materials in dem Probenvolumen 145 gesperrt wurde,
kann der optische Schalter 135 verwendet werden, um ein
oder mehrere Ausgangssignale sequenziell von den Neben-Lasern 110-1 bis 110-n zu
senden.
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BEISPIELHAFTE
STEUEREINRICHTUNG
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2 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, in der eine Steuereinrichtung 140 als
ein Computer implementiert sein kann. 2 zeigt
beispielhafte Komponenten eines derartigen Computers in Übereinstimmung
mit der Erfindung. In einer derartigen Umsetzung kann die Steuereinrichtung 140 eine Verarbeitungseinheit 205,
einen Speicher 210, eine oder mehrere Eingabeeinrichtungen 215,
eine oder mehrere Ausgabeeinrichtungen 220, eine oder mehrere
Schnittstellen 225 und einen Bus 230 enthalten.
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Die
Verarbeitungseinheit 205 kann alle Datenverarbeitungsfunktionen
für die
Eingabe, die Ausgabe und die Verarbeitung von Daten durchführen. Der
Speicher 210 kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM) enthalten,
der einen zeitweiligen Arbeitsspeicher für Daten und Befehle zur Verwendung
durch die Verarbeitungseinheit 205 bei der Durchführung von
Verarbeitungsfunktionen bietet. Der Speicher 210 kann zusätzlich einen
Nurlesespeicher (ROM) enthalten, der die permanente oder semi-permanente
Speicherung von Daten und Befehlen zur Verwendung durch die Einheit 205 bietet.
Der Speicher 210 kann ferner Speichereinrichtungen mit
großer
Kapazität,
wie zum Beispiel magnetische und/oder optische Einrichtungen, einschließen.
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Die
Eingabeeinrichtung(en) 215 erlauben die Eingabe von Daten
in die Steuereinrichtung 140 und können eine Benutzerschnittstelle
(nicht dargestellt), wie etwa beispielsweise eine Tastatur oder
Maus einschließen.
Die Ausgabeeinrichtung(en) 220 erlauben die Ausgabe von
Daten im Video-, Audio- oder Hardcopy-Format. Die Schnittstelle(n) 225 verbinden
die Steuereinrichtung 140 mit anderen Einrichtungen des
Systems 100, wie zum Beispiel dem Spektrum-Analysator 130 und
der Lasersteuereinrichtung 150. Der Bus 230 verbindet
die verschiedenen Komponenten der Steuereinrichtung 140,
um die Kommunikation der Komponenten untereinander zu ermöglichen.
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BEISPIELHAFTE
DATENBANK
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3 zeigt
eine beispielhafte Datenbank 300, die dem Speicher 210 der
Steuereinrichtung 140 zugeordnet sein kann. Die Datenbank 300 kann
beispielsweise in dem Speicher 210 gespeichert sein oder
außerhalb
der Steuereinrichtung 140 angeordnet sein. Die Datenbank 300 kann
eine Spektroskopiedatentabelle 305 einschließen, die
relevante Daten zur Abstimmung der Frequenz/Wellenlänge eines oder
mehrerer Neben-Laser 110 in Bezug auf den Master-Laser 105 enthält.
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4 zeigt
ein Beispiel einer Spektroskopiedatentabelle 305 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Die Spektroskopiedatentabelle 305 kann
mehrere Tabelleneinträge 405 enthalten, von
welchen jeder ein Spektralmerkmal 410, einen Offset-Nennwert 415 (fOFFSET) entsprechend jedem Neben-Laser, einen
Differenzwert 420 der gemessenen Frequenz (fDIFF)
entsprechend jedem Neben-Laser
und einen berechneten Delta-Frequenzwert (Δf) entsprechend jedem Neben-Laser enthalten kann. Das
Spektralmerkmal 410 kann eine Wellenlänge/Frequenz (fREF)
einschließen,
die mit einem spektralen Absorptionsmerkmal verbunden ist, auf das der
Master-Laser 105 gesperrt sein kann. Jeder Neben-Offset-Nennwert 415 (fOFFSET) kann einen Nennwert für einen
Offset der Wellenlänge/Frequenz
eines jeweiligen Neben-Lasers 110 von der Wellenlänge/Frequenz
des Haupt-Lasers 105 einschließen. Jeder Neben-Laser-Frequenzdifferenzwert 420 (fDIFF) kann die tatsächlich gemessenen Frequenz
des überlagerten
Ausgangsignals von dem Fotodetektor 120 einschließen, die
einem jeweiligen Neben-Laser 110 entspricht. Der Del ta-Frequenzwert 425 (Δf) kann die
Differenz zwischen dem gemessenen Neben-Laser-Frequenzdifferenzwert 420 (fDIFF) und dem Neben-Laser-Offset-Nennwert 415 (fOFFSET) Jeweils für jeden Neben-Laser 110 einschließen.
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BEISPIELHAFTER
LASERSTEUERUNGSPROZESS
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5 ist
ein Ablaufdiagram, das einen beispielhaften Prozess in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zur Steuerung und Kalibrierung der
Wellenlänge/Frequenz
eines oder mehrerer Neben-Laser 110 darstellt. Wie für den Durchschnittsfachmann
offensichtlich ist, kann das in 5 beispielhaft
dargestellte Verfahren als eine Befehlssequenz implementiert werden
und im Speicher 210 der Steuereinrichtung 140 zur
Ausführung
durch die Verarbeitungseinheit 205 gespeichert werden.
In anderen beispielhaften Ausführungsformen,
in welchen die Steuereinrichtung 140 als Logikschaltung
implementiert sein kann, ist für
den Durchschnittsfachmann des weiteren offensichtlich, dass das
in 5 beispielhaft dargestellte Verfahren unter Verwendung von
verschiedenen Techniken des Logikschaltungsaufbaus implementiert
werden kann.
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Der
beispielhafte Prozess kann damit beginnen, dass die Steuereinrichtung 140 die
Wellenlänge/Frequenz
(fREF) des Master-Lasers 105 auf
ein Spektralmerkmal 410 in einer Substanz innerhalb der Absorptionszelle 145 (oder
der Kontrollzelle (nicht dargestellt)) unter Verwendung der Lasersteuereinrichtung 150 einstellt
[Vorgang 505]. Das gewünschte Spektralmerkmal
kann beispielsweise in einem entsprechenden Eintrag 405 der
Datentabelle 305 gespeichert sein. Die Wellenlänge/Frequenz
(fREF) des Master-Lasers 105 kann
unter Verwendung von beispielsweise verschiedenen bekannten Liniensperrtechniken
auf ein Absorptionsspektralmerkmal gesperrt sein.
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Eine
derartige Liniensperrtechnik umfasst das Leiten des Ausgangsignals
von einem abstimmbaren Laser (z. B. dem Master-Laser 105)
durch eine Probe (z. B. das Probenvolumen 145 oder eine
Kontrollzelle) und Messen einer Differenzialabsorption mit einem
Detektor (z. B. dem Fotodetektor 155). Ein Absorptionsmerkmal
bzw. eine "Linie" kann lokalisiert werden
und die Wellenlänge
des abstimmbaren Lasers kann auf beide Seiten der Mitte des Merkmals bzw.
der Linie moduliert werden und eine Reaktion gemessen werden. Indem
ein erstes Derivat bzw. ein Derivat höherer Ordnung der gemessenen
Signale berechnet wird, kann der abstimmbare Laser (z. B. der Masterlaser 105)
präzise
auf die Mitte des Spektralmerkmals oder der Linie "gesperrt" werden.
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Die
Steuereinrichtung 140 kann einen oder mehrere Offset-Nennwerte 415 (fOFFSET) entsprechend jedem Neben-Laser 110 beispielsweise
von der Eingabe Einrichtung 215 erhalten und kann die Offset-Nennwerte
fOFFSET 415 in der Datentabelle 305 speichern
[Vorgang 510]. Die Steuereinrichtung 140 kann
dann eine geeignete Wellenlänge/Frequenz (fTEST) jedes Neben-Lasers 110 unter
Verwendung der Lasersteuereinrichtung 150 einstellen [Vorgang 515].
fTEST kann annähernd gleich fREF plus
fOFFSET für jeden jeweiligen Neben-Laser 110-1 bis 110-n sein. Die
Steuereinrichtung 140 kann von dem Spektrum-Analysator 130 Messungen
der Frequenz (fDIFF) des Signalausgangs
bzw. der Signalausgänge
von dem Fotodetektor 120 erhalten [Vorgang 520].
Der Signalausgang bzw. die Signalausgänge von dem Fotodetektor 120 können das
Ausgangssignal von dem Master-Laser 105 und einem entsprechenden Neben-Laser 110 überlagert
als ein Differenzsignal einschließen, das eine Frequenzdifferenz
zwischen dem Master-Laser 105 und dem entsprechenden Neben-Laser 110 darstellt.
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Die
Steuereinrichtung 140 kann einen Delta-Frequenzwert 425 (Δf) für jeden
Neben-Laser bestimmen, der die Differenz zwischen der gemessenen
Frequenzdifferenz (fDIFF) 420 und
dem Offset-Nennwert (fOFFSET) 415 entsprechend
jedem Neben-Laser 110 darstellt [Vorgang 525].
Jeder bestimmte Delta-Frequenzwert Δf 425 kann in der Datentabelle 305 gespeichert
werden. Die Steuereinrichtung 140 kann bestimmen, ob jeder
Neben-Laser-Delta-Frequenzwert Δf 425 gleich
null ist, was anzeigt, dass die entsprechende gemessene Neben-Laser-Frequenzdifferenz
(fDIFF) 420 gleich dem entsprechenden
Neben-Laser-Offset-Nennwert (fOFFSET) 415 ist
[Vorgang 530]. Wenn dies nicht der Fall ist, kann die Steuereinrichtung 140 unter
Verwendung der Lasersteuereinrichtung 150 die Wellenlänge/Frequenz
(fTEST) jedes Neben-Lasers 110 in
einem Ausmaß erhöhen/verringern,
das gleich der jeweiligen Differenz zwischen fOFFSET Und
fDIFF (fOFFSET – fDIFF) ist [Vorgang 535], und der
Prozess kann bei Vorgang 520 fortfahren. Wenn der Delta-Frequenzwert
(Δf) 425 eines
entsprechenden Neben-Lasers 110 gleich null ist, kann die
Steuereinrichtung 140 bestimmen, ob ein anderes spektrales
Absorptionsmerkmal der Substanz in der Absorptionszelle 145 verwendet
werden soll [Vorgang 540]. Wenn dies der Fall ist, kann der
Prozess zu Vorgang 505 zurückkehren. Wenn keine anderen
Spektralmerkmale geprüft
werden sollen, kann der beispielhafte Prozess vollendet werden.
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6 ist
ein Ablaufdiagram, das ein beispielhaftes Messverfahren in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt. Aus den
vorstehenden 1 und 5 ist für den Durchschnittsfachmann
erkennbar, wie Neben-Laser 110 in Bezug auf einen Master-Laser 105 präzise abgestimmt
werden können,
beispielsweise unter Verwendung des Spektrum-Analysators 130. 6 beschreibt
mehrere Messtechniken, die verwendet werden können, um die Laserabsorptionsspektroskopie an
dem Probenvolumen 145 durchzuführen.
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Die
Verarbeitung kann damit beginnen, dass der Haupt-Laser 105 auf
ein Spektralmerkmal oder eine bekannte Frequenz abgestimmt wird
[Vorgang 605]. Der Haupt-Laser 105 kann beispielsweise
unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Derivat-Techniken
auf ein Spektralmerkmal "eingerastet" sein. In einer anderen
Umsetzung in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der Erfindung kann der Haupt-Laser 105 auf
eine bekannte Referenz-Wellenlänge/Frequenz,
möglicherweise
unter Verwendung des Spektrum-Analysators 130, abgestimmt sein.
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Die
Verarbeitung kann mit der Erzeugung und der Messung eines ersten Überlagerungssignals fortsetzen
[Vorgang 610]. In einer Umsetzung kann ein Koppler 115 Ausgangssignale
von dem Haupt-Laser 105 und einem ersten Neben-Laser (z. B.
Neben-Laser 110-1) kombinieren, um das erste Überlagerungssignal
zu bilden. Andere Wege zum Bilden eines derartigen Überlagerungssignals
sind möglich.
Ein Hochgeschwindigkeits-Fotodetektor 120-1 kann das optische Überlagerungssignal
in ein elektrisches Signal umwandeln, das bis auf eine Präzision von
1 MHz oder weniger von dem Spektrum-Analysator 130 gemessen
werden kann. Im Gegensatz dazu kann ein Wellenmesser (eine optische Messvorrichtung),
wenn sie an Stelle des Fotodetektors 120-1 und des Spektrum-Analysators 130 verwendet
wird, nur eine maximale Präzision
von etwa 10 GHz erzielen. Somit kann die Messung unter Verwendung
eines Spektrum-Analysators 130 oder eines anderen präzisen Instruments
in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der Erfindung eine wesentlich höhere Präzision (d.h.
bedeutsamere Zahlen) erzielen. Dies ermöglicht wiederum eine wesentlich
feinere (d.h. präzisere)
Steuerung der Neben-Laser 110-1 bis 110-n.
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Der
erste Neben-Laser 110-1 kann auf einen ersten Offset der
Wellenlänge/Frequenz
von dem Haupt-Laser 105 [Vorgang 615] abgestimmt
werden. Da diese Abstimmung auf dem präzise gemessenen ersten Überlagerungswert
von dem Spektrum-Analysator 130 basiert, kann der erste
Neben-Laser 110-1 in Frequenzschritten bis hinab zu 1 Megahertz
oder dergleichen gesteuert werden. In der Praxis kann der Spektrum-Analysator 130 eine
Präzision
bis hinab auf etwa 1 kHz (z. B. Messgenauigkeiten in der Größenordnung
von 100 kHz, 10 kHz und 1 kHz) erzeugen, aber eine Wellenlängen-Drift
oder -Jitter des ersten Neben-Lasers 110-1 können die
Präzision,
mit der die Wellenlänge
gesteuert werden kann, auf etwa 1 MHz begrenzen. Da eine Präzision von
etwa 1 MHz möglich
ist, kann der erste Neben-Laser 110 auch
mit einer niedrigeren Präzision
(z. B. in Schritten in der Größenordnung
von 10 MHz, 100 MHz oder 1 GHz) abgestimmt werden.
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Der
erste Neben-Laser 110-1 kann unter der Annahme, dass das
Spektralmerkmal, auf das der Haupt-Laser 105 gesperrt ist,
abfallende Flanken hat, auf einen Wert entlang der Flanke des Merkmals
abgestimmt werden. Alternativ kann der erste Neben-Laser 110-1 auf
ein benachbartes Spektralmerkmal abgestimmt werden, das in einer
bekannten Distanz von dem Spektralmerkmal liegt, auf das der Haupt-Laser 105 gesperrt
ist. Auf diese Weise kann der erste Neben-Laser 110-1 die
Absorption/Reflexion eines Merkmals messen, während der Haupt-Laser 105 die
Absorption/Reflexion eines anderen Spektralmerkmals ohne weitere
Einstellung misst.
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Die
Präzision
der Platzierung der Emission des Neben-Lasers kann größer als
1 Mhz sein, auch bei einer Laser-Emission, deren Spektralbreite
mehrere 10 MHz beträgt.
Ein Schema ist die Anpassung einer Gauss'schen oder geeigneten Linienform an das
gemessene Spektrum. Unter Verwendung von Linienanpassungstechniken
ist es möglich,
die Mitte des Überlagerungssignals
mit einer Präzision
zu berechnen, die ein Vielfaches kleiner als die Breite des Überlagerungssignals
ist. Diese berechnete Mitte kann der Rückkopplungswert zur Steuerung
des Neben-Lasers 110 bis zu einer Präzision werden, die ein Vielfaches
besser als die Breite ist.
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Die
Vorgänge 605–615 haben
erläutert,
wie zwei diskrete Spektralmerkmale gemessen werden können, ohne
dass es erforderlich ist, einen Laser neu abzustimmen (und dadurch
ein Spektralmerkmal zu verlieren, auf das der Laser abgestimmt war).
Die optionalen Vorgänge 620 und 625 erläutern, wie
eine größere Anzahl
von diskreten Messungen durchgeführt
werden kann. Ein zweites Überlagerungssignal kann
von einem zweiten Koppler 115 beispielsweise aus den Ausgangssignalen
des Haupt-Lasers 105 und eines zweiten Neben-Lasers 110-2 erzeugt
werden [Vorgang 620]. Ähnlich
wie in Vorgang 610 kann das zweite Überlagerungssignal in elektrischer
Form umgewandelt werden und an den Spektrum-Analysator 130 zur Messung
abgegeben werden. Unter Verwendung des gemessenen Frequenzwertes
des zweiten Überlagerungssignals
kann der zweite Neben-Laser 110-1 auf
einen zweiten Offset abgestimmt werden, in diesem Fall in Bezug
auf den Haupt-Laser 105 [Vorgang 625].
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In
einer Umsetzung in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der Erfindung kann der zweite Neben-Laser 110-2 in
Bezug auf den ersten Neben-Laser 110-1 anstatt auf den
Haupt-Laser 105 abgestimmt werden. Eine derartige Umsetzung
kann nützlich
sein, wenn das zweite Überlagerungssignal
bei Verwendung des Haupt-Lasers 105 die Bandbreite des
Fotodetektors 120-2 überschreiten
würde (d.h. bei
einem Spektralmerkmal, das der Fotodetektor in der Überlagerungsfrequenz
nicht erreichen kann). Bei einem solchen Fall kann der erste Neben-Laser 110-1 auf
einen Zwischenpunkt zwischen der Frequenz des Haupt-Lasers 105 und
dem gewünschten Spektralmerkmal
abgestimmt werden. Der zweite Neben-Laser 110-2 kann in
Bezug auf diesen Zwischenpunkt abgestimmt werden, um das gewünschte Spektralmerkmal
zu erreichen.
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Optionale
Vorgänge 620 und 625 können drei
diskrete Messungen des Probenvolumens 145 erzeugen (d.h.
von dem Haupt-Laser, dem ersten Neben-Laser 110-1 und dem
zweiten Neben-Laser 110-2). Eine ähnliche Abstimmung kann mit
zusätzlichen
Neben-Lasern 110-3 bis 110-n durchgeführt werden,
um eine große
Anzahl von diskreten Frequenz/Wellenlängen-Messungen zu erzeugen,
ohne dass es erforderlich ist, dass einer der Laser 105/110 von
seinem jeweiligen spektralen Ort abgestimmt wird [Vorgang 630].
Obgleich diese Messungen nicht gleichzeitig sein mögen, kann
der optische Schalter 135 Ausgangssignale von den verschiedenen
Lasern 105/110 in rascher Abfolge umschalten,
um einen Absorptionsdatensatz zu erhalten, der nahezu gleichzeitig
ist [Vorgang 635]. Für
den Durchschnittsfachmann ist offensichtlich, dass gleichzeitige
Daten durch Hinzufügen
anderer Komponenten (wie zum Beispiel zusätzliche Fotodetektoren 155)
zu dem System 100 erzielt werden können.
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Der
optionale Vorgang 630 zeigt, dass die kontinuierlichen
Messwerte auch erzielt werden können,
indem die Wellenlänge
eines oder mehrerer Neben-Laser 110 (z. B. linear) abgestimmt
wird. Beispielsweise kann der erste Neben-Laser 110-1 anfänglich auf
einen bestimmten Offset von dem Haupt-Laser 105 abgestimmt
sein, wie in Vorgängen 610 und 615 beschrieben.
Dann kann der erste Neben-Laser 110-1 so
abgestimmt werden (gegebenenfalls unter Verwendung der präzisen Werte
von dem Spektrum-Analysator 130), dass ein kontinuierlicher Absorptionsdatenbereich
erhalten wird, beispielsweise eine Flanke eines Spektralmerkmals
hinab. Dem Durchschnittsfachmann ist offensichtlich, dass die Vorgänge 600–630 mit
zusätzlichen
Komponenten 110/115/120 skalierbar sind
und dass sie verwendet werden können,
um sowohl mehrfache diskrete Absorptionsmessungen als auch kontinuierliche
Absorptionsmessungen mit hoher Auflösung in Bezug auf eine Referenz-Frequenz/Wellenlänge zu erhalten.
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7A–7D zeigen
eine Reihe von Spektralmerkmalskurven, die verschiedene Abtasttechniken
grafisch darstellen. 7A zeigt ein typisches Verfahren
einer kontinuierlichen Abtastung der Wellenlänge entlang einem Spektralmerkmal.
Diese kontinuierliche Abtastung erlaubt die Messung der vollständigen Linienform,
erfordert jedoch eine beträchtliche
Zeit, um eine gute Statistik für
jeden Punkt zu erfassen. 7B ist
ein weiteres typisches Schema unter Verwendung von drei Punkten:
einer auf der Linie, auf der Seitenlinie und neben der Linie. Ein Vorteil
eines derartigen Schemas ist die Geschwindigkeit, jedoch ein Nachteil
eines derartigen Schemas ist, dass der Punkt der Seitenlinie (d.h.
der mittlere) eingezwängt
ist. Der mittlere Punkt kann aufgrund einer mangelnden Präzision bei
der Abstimmung eines Lasers oder von Schwierigkeiten, die bei Derivat-Abstimmtechniken
vorliegen, eingezwängt sein.
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7C zeigt
eine Verbesserung bei einer Umsetzung in Übereinstimmung mit den Prinzipien der
Erfindung gegenüber 7B insofern,
als die hierin beschriebene Haupt-Laser-Neben-Laser-Überlagerungsanordnung
es erlaubt, die Seitenlinie dort zu platzieren, wo sie für die maximale
Messpräzision
benötigt
wird (z. B. Einstellbarkeit durch Doppelpfeil angedeutet). Die Anordnung
mit mehreren Neben-Lasern erlaubt auch mehrere Seitenlinien. 7D zeigt,
wie eine derartige Messung für
die Fernerfassung beispielsweise einer Gesamtkonzentration in einer
Probensäule
optimiert werden kann. Zwei oder mehr Messungen können entlang
der Seitenlinie vorgenommen werden, wo die Säule einen breiten Bereich von
Dichten enthält
und der Benutzer die Beiträge
von verschiedenen Höhen
aufzulösen wünscht.
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ABSCHLIESSENDE
BETRACHTUNG
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Systeme
und Verfahren in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung können
einen Spektrum-Analysator verwenden, um ein elektrisches Signal
präzise
zu messen, das von einem Überlagerungssignal
von zwei Laserquellen erhalten wird. Der Spektrum-Analysator ermöglicht die
präzise
Messung von Frequenzunterschieden in dem elektrischen Signal, die
genutzt werden können,
um eine Laserquelle relativ zu der anderen präzise abzustimmen. Diese präzise abgestimmten
Quellen können für die Laserspektroskopie
eines Probenvolumens verwendet werden.
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Die
vorstehende Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung dient der Erläuterung
und Beschreibung, soll jedoch nicht erschöpfend sein oder die Erfindung
auf die exakte offenbarte Form einschränken. Modifikationen und Veränderungen
sind unter Berücksichtigung
der vorstehenden Lehre möglich
oder können sich
in der praktischen Umsetzung der Erfindung ergeben. Während beispielsweise
bestimmte Komponenten der Erfindung als in Hardware und andere in Software
implementiert beschrieben wurden, können auch andere Hardware/Software-Konfigurationen möglich sein.
Während
ferner Reihen von Vorgängen unter
Bezug auf 5 und 6 beschrieben
wurden, ist die Reihenfolge der Vorgänge nicht kritisch.
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Obgleich
die Begriffe Frequenz und Wellenlänge hierin in gewisser Weise
austauschbar verwendet werden, ist der Durchschnittsfachmann ohne
weiteres in der Lage, die Umwandlungen zwischen beiden durchzuführen. Es
versteht sich, dass zwar einige Präzisionswerte in der Einheit
Hertz (Hz) angegeben sind, diese Frequenz-Präzisionswerte jedoch in äquivalente
Wellenlängen-Präzisionswerte
(d.h. in der Einheit Meter (m) (z. B. Pikometer (pm)) umgewandelt
werden können.
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Kein
in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendetes Element,
Vorgang oder keine Anweisung sollten als kritisch oder wesentlich
für die Erfindung
ausgelegt werden, sofern sie nicht ausdrücklich als solche beschrieben
sind. Auch soll in seiner Verwendung hierin der Artikel "ein" einen oder mehrere
Gegenstände
einschließen.
Wo nur ein Gegenstand beabsichtigt ist, wird der Begriff "ein" oder ein ähnlicher
sprachlicher Ausdruck verwendet. Der Schutzumfang der Erfindung
ist durch die folgenden Patentansprüche definiert.