NL1002179C2 - Absorption spectrometer for solids, liquids and gases - Google Patents
Absorption spectrometer for solids, liquids and gases Download PDFInfo
- Publication number
- NL1002179C2 NL1002179C2 NL1002179A NL1002179A NL1002179C2 NL 1002179 C2 NL1002179 C2 NL 1002179C2 NL 1002179 A NL1002179 A NL 1002179A NL 1002179 A NL1002179 A NL 1002179A NL 1002179 C2 NL1002179 C2 NL 1002179C2
- Authority
- NL
- Netherlands
- Prior art keywords
- radiation
- cavity
- source
- coupled
- frequency
- Prior art date
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 title description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 title 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 95
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 13
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims description 7
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 26
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 4-(3,5-dimethylphenyl)-1,3-thiazol-2-amine Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C=2N=C(N)SC=2)=C1 MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 101150046236 CNR1 gene Proteins 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
- G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/45—Interferometric spectrometry
- G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
ABSORPTIE-SPECTROMETERABSORPTION SPECTROMETER
De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het meten van de elektromagnetische absorptie van een specimen, omvattend een stralingsbron voor het genereren van elektromagnetische straling, een trilholte voor het daarin opnemen van 5 het specimen, in welke trilholte de gegenereerde straling wordt ingekoppeld, detectiemiddelen voor het detecteren van uit de trilholte uitgekoppelde straling, alsmede controlemiddelen voor het uit de door de detectiemiddelen gedetecteerde straling afleiden van een meetwaarde voor de absorptie van het specimen. 10 Een dergelijke inrichting is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage nr. 9301533.The invention relates to a device for measuring the electromagnetic absorption of a specimen, comprising a radiation source for generating electromagnetic radiation, a cavity for receiving the specimen, in which vibrating cavity the coupled radiation is coupled, detection means for detecting radiation coupled from the vibrating cavity, as well as control means for deriving a measurement value for the absorption of the specimen from the radiation detected by the detection means. Such a device is known from Dutch patent application no. 9301533.
In de bekende inrichting is de stralingsbron een gepulste stralingsbron, worden gegenereerde elektromagnetische stralingspulsen ingekoppeld in een trilholte waarin zich het 15 specimen bevindt, en leidt een controle-systeem aan de hand van het tijdsafhankelijke intensiteitsverloop van gedetecteerde straling uit de trilholte de absorptie van het specimen af. Met de bekende inrichting is het voorts mogelijk bijvoorbeeld reflectie-eigenschappen van dunne lagen of substraten te 20 bepalen, die zich op ten minste een van twee spiegels in de trilholte bevinden. Tevens is het mogelijk dynamische processen te volgen.In the known device, the radiation source is a pulsed radiation source, generated electromagnetic radiation pulses are coupled into a cavity in which the specimen is located, and a control system guides the absorption of the specimen on the basis of the time-dependent intensity curve of detected radiation from the vibrating cavity. off. With the known device it is furthermore possible to determine, for example, reflection properties of thin layers or substrates, which are located on at least one of two mirrors in the vibrating cavity. It is also possible to follow dynamic processes.
Het wordt als een praktisch bezwaar van de bekende inrichting ervaren dat de benodigde gepulste stralingsbron, 25 veelal een afstembare gepulste laser, zeer duur is, terwijl voor het afleiden van de gewenste meetwaarden een zeer snelle digitaliseereenheid is vereist, bijvoorbeeld een 10-bits 100 MHz digitizer, die eveneens zeer kostbaar is.It is experienced as a practical drawback of the known device that the required pulsed radiation source, usually a tunable pulsed laser, is very expensive, while a very fast digitizing unit, for example a 10-bit 100 MHz, is required to derive the desired measured values. digitizer, which is also very expensive.
Het wordt bovendien als een bezwaar van meer fundamentele 30 aard, inherent aan het meten met een gepulste stralingsbron, ervaren, dat de meettijd tussen twee opeenvolgende pulsen van de lichtbron wordt bepaald door de duur van de uitdoving van een puls in de trilholte, zodat de effectieve meettijd inherent beperkt is door de aan/uit-verhouding van de stralingsbron.Moreover, it is perceived as a drawback of a more fundamental nature, inherent in measuring with a pulsed radiation source, that the measuring time between two successive pulses of the light source is determined by the duration of the extinction of a pulse in the cavity, so that the effective measurement time is inherently limited by the on / off ratio of the radiation source.
35 Het is een doel van de onderhavige uitvinding een inrichting voor het meten van de elektromagnetische absorptie van een specimen in de gas-, vloeistof- en/of vaste fase, dan 1 0 02 1 79.It is an object of the present invention a device for measuring the electromagnetic absorption of a specimen in the gas, liquid and / or solid phase, other than 1 0 02 1 79.
2 wel van de reflectie-eigenschappen van een dunne laag of substraat, te verschaffen, met welke inrichting genoemde meetwaarden met zeer hoge nauwkeurigheid kunnen worden bepaald, waarbij bovengenoemde en andere bezwaren van de bekende 5 inrichting zich niet voordoen.2 of the reflective properties of a thin layer or substrate, with which device said measured values can be determined with very high accuracy, wherein the above and other drawbacks of the known device do not arise.
Dit doel wordt overeenkomstig de uitvinding bereikt met een inrichting van de in de aanhef genoemde soort, van welke inrichting de stralingsbron een in amplitude gemoduleerde continue bron is, waarbij de controlemiddelen genoemde 10 meetwaarde afleiden uit een faseverschil tussen de in de trilholte ingekoppelde en de uit de trilholte uitgekoppelde straling.This object is achieved according to the invention with a device of the type mentioned in the preamble, the device of which the radiation source is an amplitude-modulated continuous source, wherein the control means derive said measured value from a phase difference between the in-coupled in the vibrating cavity and the radiation vibrated out of the cavity.
In een meetinrichting volgens de uitvinding kan de absorptie worden bepaald met een zeer hoge nauwkeurigheid, die 15 niet of nauwelijks nadelig wordt beïnvloed door intensiteitsfluctuaties van de stralingsbron.In a measuring device according to the invention the absorption can be determined with a very high accuracy, which is hardly influenced, if at all, by fluctuations in intensity of the radiation source.
In een uit voer ingsvoirm omvatten de detectiemiddelen fasedetectiemiddelen waaraan voor het bepalen van genoemd faseverschil een van de modulatie van de stralingsbron afgeleid 20 referentiesignaal wordt toegevoerd.In an embodiment, the detection means comprise phase detection means to which a reference signal derived from the modulation of the radiation source is applied for determining said phase difference.
In weer een uitvoeringsvorm van de uitvinding is de stralingsbron een polychromatische bron voor het uitzenden van spectraal breedbandige straling, en zijn de controlemiddelen geschikt voor het afleiden van genoemde meetwaarde als functie 25 van de frequentie van de door de bron uitgezonden straling.In yet another embodiment of the invention, the radiation source is a polychromatic source for emitting spectral broadband radiation, and the control means are suitable for deriving said measured value as a function of the frequency of the radiation emitted by the source.
Een meetinrichting volgens de uitvinding met een polychromatische stralingsbron omvat bijvoorbeeld verder interferentiemiddelen voor het laten interfereren van de gegenereerde straling met een door een interferentieparameter 30 Δ beschreven interferentiebundel, waarbij de geïnterfereerde straling in de trilholte wordt ingekoppeld, en door de controlemiddelen een Fourier-transformatie wordt uitgevoerd van de door de dectectiemiddelen gedetecteerde straling over de parameter Δ voor het afleiden van genoemde meetwaarde als 35 functie van de frequentie van de door de bron uitgezonden straling.A measuring device according to the invention with a polychromatic radiation source further comprises, for example, interference means for causing the generated radiation to interfere with an interference beam described by an interference parameter 30, wherein the interfered radiation is coupled into the vibrating cavity and a Fourier transform is converted by the control means output of the radiation detected by the detection means over the parameter Δ for deriving said measured value as a function of the frequency of the radiation emitted by the source.
Bij voorkeur omvatten de interferentiemiddelen een Michelson-interferometer, waarbij een maat voor een verschil in weglengte van de armen van de interferometer bij een dergelijke 1002179 3 inrichting de parameter Δ is.Preferably, the interference means comprise a Michelson interferometer, where a measure of a difference in path length of the arms of the interferometer in such a 1002179 device is the parameter Δ.
In een alternatief uitvoeringsvoorbeeld van een meetinrichting volgens de uitvinding omvatten de detectiemiddelen spectraal-dispergerende middelen en ruimtelijk 5 van elkaar gescheiden detectoreenheden voor het detecteren van bepaalde frequentiecomponenten in de uit de trilholte uitgekoppelde straling. In een dergelijke meetinrichting wordt uit deze frequentiecomponenten vervolgens door geschikte controlemiddelen genoemde meetwaarde afgeleid als functie van 10 de frequentie van de door de bron uitgezonden straling.In an alternative embodiment of a measuring device according to the invention, the detection means comprise spectral dispersing means and spatially separated detector units for detecting certain frequency components in the radiation which is coupled out from the vibrating cavity. In such a measuring device, said measured value is subsequently derived from these frequency components by suitable control means as a function of the frequency of the radiation emitted by the source.
De spectraal-dispergerende middelen omvatten bijvoorbeeld een prisma of een tralie.The spectral dispersants include, for example, a prism or grating.
De trilholte in een inrichting volgens de uitvinding omvat bijvoorbeeld ten minste twee spiegels, tussen welke althans een 15 deel van de door de stralingsbron uitgezonden straling reflecteert. Het in- en uitkoppelen van de straling in en uit de trilholte kan op bekende wijze plaats vinden met behulp van doorlaatmiddelen, bijvoorbeeld in de vorm van voor de betreffende straling transparante gedeelten in de spiegels.The vibrating cavity in a device according to the invention comprises, for example, at least two mirrors, between which at least a part of the radiation emitted by the radiation source reflects. Coupling and uncoupling of the radiation in and out of the vibrating cavity can take place in known manner with the aid of transmitting means, for instance in the form of parts transparent in the mirrors for the radiation in question.
20 Als alternatief voor doorlaatmiddelen voor het in- en/of uitkoppelen van straling uit de trilholte kan deze een voor de straling transparant vlak omvatten voor het door reflectie onder de Brewsterhoek inkoppelen en/of uitkoppelen van straling.As an alternative to transmitting means for coupling in and / or uncoupling radiation from the vibrating cavity, it can comprise a surface transparent to the radiation for coupling in and / or coupling out radiation by reflection under the Brewster angle.
25 De uitvinding zal in het nu volgende worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvormen, onder verwijzing naar de tekening.The invention will be elucidated hereinbelow on the basis of embodiments, with reference to the drawing.
In de tekening tonen figuur 1 een blokschema van een eerste uitvoeringsvorm van 30 een meetinrichting volgens de uitvinding, figuur 2 de intensiteit van een door de stralingsbron van de meetirichting van fig. 1 uitgezonden straling, en de intensiteit van de door de detector van fig. l gedetecteerde straling, beide als functie van de tijd, 35 figuur 3 een blokschema van een tweede uitvoeringsvorm van een meetinrichting volgens de uitvinding, en figuur 4 een blokschema van een derde uitvoeringsvorm van een meetinrichting volgens de uitvinding.In the drawing, figure 1 shows a block diagram of a first embodiment of a measuring device according to the invention, figure 2 shows the intensity of a radiation emitted by the radiation source of the measuring direction of figure 1, and the intensity of the radiation from the detector of figure 1. 1 detected radiation, both as a function of time, figure 3 a block diagram of a second embodiment of a measuring device according to the invention, and figure 4 a block diagram of a third embodiment of a measuring device according to the invention.
Figuur 1 is een sterk vereenvoudigd blokschema van een 1 0 02 1 4 absorptie-spectrometer met een lichtbron 51, een intensiteitsmodulator 52, een trilholte 2, een lichtdetector 3, een fasedetector 4, een centrale verwerkingseenheid 5 en een modulatiesignaalgenerator 6. De trilholte 2 is aan zijn 5 binnenzijde aan twee tegenoverliggende zijden voorzien van spiegels 13, 14, die elk zijn voorzien van een inlaat 15 respectievelijk een uitlaat 16 voor het in- respectievelijk het uitkoppelen van elektromagnetische straling. In de trilholte 2 is een gasvormig specimen 24 opgenomen, voor het meten van de 10 absorptie daarvan.Figure 1 is a greatly simplified block diagram of a 1 0 02 1 4 absorption spectrometer with a light source 51, an intensity modulator 52, a vibrating cavity 2, a light detector 3, a phase detector 4, a central processing unit 5 and a modulation signal generator 6. The vibrating cavity 2 is provided on its inner side on two opposite sides with mirrors 13, 14, each of which is provided with an inlet 15 and an outlet 16, respectively, for coupling in and out of electromagnetic radiation. A gaseous specimen 24 is included in the cavity 2 for measuring its absorption.
De werking van de absorptiespectrometer van fig. 1 zal hieronder worden beschreven. Stralingsbron 51 werpt elektromagnetische straling 17, waarvan de intensiteit met behulp van signaalgenerator 6 door intensiteitsmodulator 52 met 15 een een bepaalde hoekfrequentie Ω wordt gemoduleerd, op de inlaat 15 van trilholte 2.The operation of the absorption spectrometer of Figure 1 will be described below. Radiation source 51 casts electromagnetic radiation 17, the intensity of which is modulated with the aid of signal generator 6 by intensity modulator 52 with a certain angular frequency Ω, on the inlet 15 of cavity 2.
De spectrale intensiteitsverdeling I0(v,t) van de met hoekfrequentie Ω gemoduleerde gegenereerde straling 53 als functie van de tijd wordt gegeven door de uitdrukking 20 i0(v, t)«l0(v) (l+asin(Qt)) {1) waarin I0(v) de spectrale intensiteitsverdeling als functie van de frequentie v van de ongemoduleerde bron is en α de 25 modulatiefactor is met een absolute waarde I a I < 1.The spectral intensity distribution I0 (v, t) of the angular frequency Ω-modulated generated radiation 53 as a function of time is given by the expression 20 i0 (v, t) «l0 (v) (l + asin (Qt)) {1 ) where I0 (v) is the spectral intensity distribution as a function of the frequency v of the unmodulated source and α is the modulation factor with an absolute value I a I <1.
Na passage van de trilholte 2 wordt de lichtintensiteit voor een bepaalde frequentie v gegeven door de vergelijking I (v, t) «A+B (sin (Qt) -Otvcos (Qt)) ) 30 waarin A en B van Ω en τν afhankelijke constanten in de tijd zijn en τν een karakteristieke afvaltijd is.After passing through the cavity 2, the light intensity for a given frequency v is given by the equation I (v, t) «A + B (sin (Qt) -Otvcos (Qt))) 30 in which A and B depend on Ω and τν are constants in time and τν is a characteristic decay time.
De karakteristieke afvaltijd τν hangt als volgt samen met een absorptie-coëfficiënt kv 35 T- * v c(l-Bv+Kvl) (3) waarin d de optische weglengte van de trilholte 2, c de t o: 5 lichtsnelheid, de reflectie-coëfficiënt van het oppervlak van de spiegels 13, 14 voor frequentiecomponent v en 1 de lengte van het specimen in de trilholte 2 representeert. Overeenkomstig het inzicht van de uitvinding kan de 5 absorptie-coëfficiënt kv op een eenvoudige wijze worden bepaald, waarbij fluctuaties in de amplitude van de straling geen invloed hebben op de nauwkeurigheid van de bepaling. Hiertoe wordt met fase-gevoelige detector 4 het verschil φν in de fase van modulatie van de uitgekoppelde straling 54 met 10 frequentiecomponent v ten opzichte van de fase van de modulatie van de ingekoppelde straling 53, zoals weergegeven in fig. 2, gemeten door de component in-fase met het oorspronkelijke modulatiesignaal (de sinusterm) en de component 90° uit fase met oorspronkelijke modulatiesingaal (de 15 cosinusterm) tegelijkertijd te bepalen. Uit de verhouding van deze componenten kan τν direct worden bepaald (zie fig. 2). Overigens kan xv ook worden bepaald uit het faseverschil φν.The characteristic waste time τν is related as follows to an absorption coefficient kv 35 T- * vc (l-Bv + Kvl) (3) where d is the optical path length of the cavity 2, c is the to: 5 light speed, the reflection coefficient of the surface of the mirrors 13, 14 for frequency component v and 1 represents the length of the specimen in the cavity 2. In accordance with the insight of the invention, the absorption coefficient kv can be determined in a simple manner, in which fluctuations in the amplitude of the radiation do not affect the accuracy of the determination. To this end, with phase-sensitive detector 4, the difference φν in the phase of modulation of the coupled radiation 54 with frequency component v with respect to the phase of modulation of the coupled radiation 53, as shown in Fig. 2, is measured by the component in-phase with the original modulation signal (the sine term) and the 90 ° component out of phase with the original modulation signal (the 15 cosine term) to be determined simultaneously. Τν can be determined directly from the ratio of these components (see fig. 2). Incidentally, xv can also be determined from the phase difference φν.
Dit faseverschil hangt samen met de karakteristieke afvaltijd tv volgens de relatie 20 tan Φν = Ωτν (4) zodatThis phase difference is related to the characteristic decay time tv according to the relationship 20 tan Φν = Ωτν (4) so that
Tv=lta^v (5) 25TV = lta ^ v (5) 25
In de centrale verwerkingseenheid 5 wordt de waarde van uit de vergelijkingen (3) en (5) afgeleid, welke waarde bijvoorbeeld aan een uitgang 57 beschikbaar komt.In the central processing unit 5 the value of is derived from equations (3) and (5), which value becomes available at an output 57, for example.
30 In de spectrometer volgens fig. 1 is als monochromatische continue lichtbron 51 een He-Ne laser gebruikt, in combinatie met een elektro-optische modulator 52 die een frequentiebereik heeft van 10 kHz tot 1 MHz. De trilholte 2 uit het voorbeeld van fig. 1 bestaat uit twee vlak-concave spiegels 13, 14, 35 waarvan de reflectie-coëfficiënt voor het gebruikte He-Ne licht 0,9992 bedraagt, op een afstand van 45 cm, en met een kromtestraal van -25 cm. Bij toepassing van een snelle gevoelige lichtdetector 3 in combinatie met een hoogfrequente fase-gevoelige detector beschikt men met een absorptie- 1 0 0 2 1 70.In the spectrometer of Fig. 1, a He-Ne laser is used as a monochromatic continuous light source 51, in combination with an electro-optical modulator 52 which has a frequency range of 10 kHz to 1 MHz. The cavity 2 of the example of Fig. 1 consists of two plane-concave mirrors 13, 14, 35 whose reflection coefficient for the He-Ne light used is 0.9992, at a distance of 45 cm, and with a radius of curvature of -25 cm. When using a fast sensitive light detector 3 in combination with a high-frequency phase sensitive detector, an absorption 1 0 0 2 1 70 is provided.
6 spectrometer volgens fig. 1 over een systeem met een detectie-gevoeligheid voor bijvoorbeeld stikstofdioxyde (N02) in lucht van enkele honderden ppb's ('parts-per-billion'). Bij toepassing van een single-mode afstembare continue 5 kleurstoflaser als lichtbron 51 met een vermogen van ca. 1 tot 100 mW en een bandbreedte van 1 MHz beschikt men over een zeer gevoelige detector waarmee men in staat is het absorptie-spectrum van het zeldzame zuurstof-isotoop 1802 te meten.6 spectrometer according to fig. 1 about a system with a detection sensitivity for, for example, nitrogen dioxide (NO2) in air of several hundred ppbs ('parts-per-billion'). When using a single-mode tunable continuous 5 dye laser as the light source 51 with a power of about 1 to 100 mW and a bandwidth of 1 MHz, one has a very sensitive detector with which the absorption spectrum of the rare oxygen is capable of measure isotope 1802.
Figuur 2 is een grafische weergave van de spectrale 10 dichtheid van een component van de met een frequentie Ω/2π gemoduleerde in de trilholte ingekoppelde straling met frequentie v (ononderbroken lijn) en van een met een fasehoek φ naijlende component van de uit de trilholte uitgekoppelde straling met dezelfde frequentie v (streeplijn). Doordat de 15 modulatiefrequentie veel kleiner is dan de frequentie van de straling (Ω«2πν) is bij de gekozen tijdschaal van fig. 2 alleen de met de modulatiefrequentie als functie van de tijd variërende intensiteit weergegeven.Figure 2 is a graphical representation of the spectral density of a component of the radiation Ω / 2π modulated in the resonance cavity coupled with frequency v (solid line) and of a component of the resonant cavity coupled with a phase angle φ radiation with the same frequency v (dashed line). Since the modulation frequency is much smaller than the frequency of the radiation (Ω «2πν), only the intensity varying with the modulation frequency as a function of time is shown for the chosen time scale of Fig. 2.
Figuur 3 is een sterk vereenvoudigd blokschema van een 20 tweede uitvoeringsvorm van een absorptie-spectrometer volgens de uitvinding, waarin onderdelen die overeenkomen met onderdelen van de spectrometer van fig. 1 met overeenkomstige verwijzingsgetallen zijn aangeduid, met een lichtbron 1, een trilholte 2, een lichtdetector 3, een fasedetector 4, een 25 centrale verwerkingseenheid 5, een modulatiesignaalgenerator 6 en een beeldscherm 7. De absorptie-spectrometer omvat voorts een Michelson-interferometer, samengesteld uit een halfdoorlatende spiegel 8, een vast opgestelde spiegel 9, en een door een insteleenheid 11 aangedreven, over een bepaalde 30 afstand in de richting van pijl 26 heen en weer beweegbare spiegel 10, waarvan de momentane positie ten opzichte van een referentie-positie 12 hier met een parameter Δ wordt aangegeven. In de trilholte 2 is een gasvormig specimen 24 opgenomen, voor het meten van de absorptie daarvan.Figure 3 is a greatly simplified block diagram of a second embodiment of an absorption spectrometer according to the invention, in which parts corresponding to parts of the spectrometer of Figure 1 are indicated with corresponding reference numbers, with a light source 1, a cavity 2, a light detector 3, a phase detector 4, a central processing unit 5, a modulation signal generator 6 and a display screen 7. The absorption spectrometer further comprises a Michelson interferometer, composed of a semipermeable mirror 8, a fixed mirror 9, and an adjustment unit 11, mirror 10 which can be moved back and forth by a certain distance in the direction of arrow 26, of which the instantaneous position relative to a reference position 12 is indicated here with a parameter Δ. A gaseous specimen 24 is included in the cavity 2 for measuring its absorption.
35 De werking van de absorptiespectrometer van fig. 3 zal hieronder worden beschreven. Stralingsbron 1 werpt elektromagnetische straling 17, waarvan de intensiteit met behulp van signaalgenerator 6 met een een bepaalde hoekfrequentie Ω wordt gemoduleerd, op de inlaat 15 van de 10 0 ? i 7 trilholte 2. De ingekoppelde straling reflecteert tussen de spiegels 13, 14 van de trilholte 2, wordt gedeeltelijk door het specimen 24 geabsorbeerd en wordt via uitlaat 16 uitgekoppeld, waarna de uitgekoppelde straling 22 invalt op de 5 halfdoorlatende spiegel 8, welke ongeveer de helft 18 van de straling doorlaat in de richting van de beweegbare spiegel 10 en ongeveer de andere helft 19 reflecteert in de richting van de vast opgestelde spiegel 9. De naar de beweegbare spiegel 10 doorgelaten straling 18 wordt door deze spiegel gereflecteerd 10 in de richting van de halfdoorlatende spiegel 8, alwaar een gedeelte van de gerelecteerde straling 20 wordt gereflecteerd in de richting van de stralingsdetector 3, en de naar de vaste spiegel 9 gereflecteerde straling 19 wordt door deze laatste spiegel eveneens in de richting van de halfdoorlatende spiegel 15 8 gereflecteerd, alwaar een gedeelte van de gerelecteerde straling 21 wordt doorgelaten in de richting van de stralingsdetector 3 en met het in de richting van de stralingsdetector 3 gereflecteerde gedeelte van de straling 20 interfereert tot een interferentiestraling 23, die invalt op de 20 stralingsdetector 3, welke de stralingsintensiteit omzet in een elektrisch signaal dat informatie over de fase van de uitgekoppelde straling bevat. Deze fase-informatie wordt vervolgens in de fasedetector 4 bepaald op de wijze zoals voor de speetromer van fig. 1 hierboven is beschreven, waarna met 25 behulp van de centrale verwerkingseenheid de gewenste meetwaarde voor de absorptie uit de fase-informatie wordt afgeleid, die bijvoorbeeld wordt weergegeven op het beeldscherm 7.The operation of the absorption spectrometer of Figure 3 will be described below. Radiation source 1 casts electromagnetic radiation 17, the intensity of which is modulated with a certain angular frequency Ω with the aid of signal generator 6, at the inlet 15 of 10 0. 7 vibrating cavity 2. The coupled radiation reflects between the mirrors 13, 14 of the vibrating cavity 2, is partially absorbed by the specimen 24 and is coupled out via outlet 16, after which the coupled radiation 22 is incident on the semipermeable mirror 8, which approximately half of the radiation 18 transmits in the direction of the movable mirror 10 and approximately the other half 19 reflects in the direction of the fixed mirror 9. The radiation 18 transmitted to the movable mirror 10 is reflected by this mirror in the direction of the semipermeable mirror 8, where part of the selected radiation 20 is reflected in the direction of the radiation detector 3, and the radiation 19 reflected to the fixed mirror 9 is also reflected in the direction of the semipermeable mirror 8 by the latter mirror, where a portion of the selected radiation 21 is transmitted in the direction of the radiation detector 3 and with the portion of the radiation 20 reflected in the direction of the radiation detector 3 interfering with an interference radiation 23 incident on the radiation detector 3, which converts the radiation intensity into an electrical signal containing information about the phase of the coupled radiation. This phase information is then determined in the phase detector 4 in the manner as described for the grommet of Fig. 1 above, after which the desired measured value for the absorption is derived from the phase information with the aid of the central processing unit, for example is displayed on the screen 7.
De uit de trilholte 2 via uitlaat 16 uitgekoppelde straling 30 23 na interferentie die de detector 3 bereikt wordt beschreven door “r Δ Γ(Δ, t)« f J(v, t) cos (2nv —) cfv (6) J c 35The radiation 30 23 coupled from the vibrating cavity 2 via outlet 16 after interference reaching the detector 3 is described by “r Δ Γ (Δ, t)« f J (v, t) cos (2nv -) cfv (6) J c 35
De intensiteitsverdeling I(v,t) van deze straling als functie van v wordt gegeven door uitdrukking (2).The intensity distribution I (v, t) of this radiation as a function of v is given by expression (2).
1 0 0 2 1 79, 8 I(v,t) wordt verkregen door in de verwerkingseenheid 5 een Fourier-transformatie van I(A,t) uit te voeren, waarbij de parameter Δ de momentane waarde van de instelling van de instelbare spiegel 10 representeert, welke via leiding 25 aan 5 de insteleenheid wordt doorgegeven. Uit I(v,t) wordt vervolgens op de hierboven beschreven wijze tv en daarmee kv bepaald.1 0 0 2 1 79, 8 I (v, t) is obtained by performing a Fourier transform of I (A, t) in the processing unit 5, where the parameter Δ is the instantaneous value of the adjustable mirror setting 10 which is transmitted to the setting unit via line 25. From I (v, t) TV and thus kv is then determined in the manner described above.
Doordat, anders dan in de hierboven genoemde spectrometer volgens de stand der techniek, de beschikbare meettijd niet 10 wordt beperkt door een aan/uit-verhouding van de stralingsbron 1, kan in de centrale verwerkingseenheid 5 worden volstaan met een betrekkelijk langzame, en daardoor betrekkelijk goekope digitizer, bijvoorbeeld een 16-bits 100 kHz digitizer, met een resolutie van 10 μβ. Een verder kostenvoordeel ten opzichte 15 van de bekende spectrometer is inherent verbonden aan de toepassing van een continue, in plaats van een gepulste stralingsbron.Since, unlike in the aforementioned prior art spectrometer, the available measuring time is not limited by an on / off ratio of the radiation source 1, in the central processing unit 5 a relatively slow and therefore relatively sufficient cheap digitizer, for example a 16-bit 100 kHz digitizer, with a resolution of 10 μβ. A further cost advantage over the known spectrometer is inherently associated with the use of a continuous, rather than a pulsed, radiation source.
Het zal de deskundige duidelijk zijn dat het voor de werking van de spectrometer in beginsel geen verschil maakt of 20 de trilholte 2 tussen de stralingsbron 1 en de Michelson- interferometer is geplaats, zoals in fig. 3 het geval is, dan wel dat deze tussen de Michelson-interfereometer en de stralingsdetector 3 is opgesteld.It will be clear to the skilled person that in principle it makes no difference to the operation of the spectrometer whether the cavity 2 is placed between the radiation source 1 and the Michelson interferometer, as is the case in Fig. 3, or whether it is located between the Michelson interfereometer and the radiation detector 3 are arranged.
Figuur 4 toont een sterk vereenvoudigd blokschema van een 25 derde uitvoeringsvorm van een absorptie-spectrometer volgens de uitvinding, waarin onderdelen die overeenkomen met onderdelen van de spectrometer van fig. 3 met overeenkomstige verwijzingsgetallen zijn aangeduid, met een lichtbron 1, een trilholte 2, een dispergerende eenheid 44, lichtdetectoren 33* 30 (i=l,2,3,...,n), fasedetectoren 34i# een centrale verwerkingseenheid 35, een modulatiesignaalgenerator 6 en een beeldscherm 7.Figure 4 shows a highly simplified block diagram of a third embodiment of an absorption spectrometer according to the invention, in which parts corresponding to parts of the spectrometer of Figure 3 are indicated with corresponding reference numbers, with a light source 1, a vibrating cavity 2, a dispersing unit 44, light detectors 33 * 30 (i = 1, 2,3, ..., n), phase detectors 34i #, a central processing unit 35, a modulation signal generator 6 and a screen 7.
De werking van de absorptiespectrometer van fig. 4 zal hieronder worden beschreven. Stralingsbron 1 werpt 35 elektromagnetische straling 17, waarvan de intensiteit met behulp van signaalgenerator 6 met een een bepaalde hoekfrequentie Ω wordt gemoduleerd, op de inlaat 15 van de met een gasvormig specimen 24 gevulde trilholte 2. Een deel van de ingekoppelde straling wordt geabsorbeerd, een deel 43 wordt via 1 o o ?' ? - 9 uitlaat 16 uitgekoppeld en valt in op de dispergerende eenheid 44, welke de invallende straling 43 splitst in een aantal n componenten 45A (i=l,2,3, . . .,n) met respectievelijke frequenties νΑ. De frequentiecomponenten 45± vallen in op 5 respectieve stralingsdetectoren 33i, die de stralingsintensiteit omzetten in respectieve elektrische signalen die informatie over de fase van de uitgekoppelde straling bevatten. Deze fase-informatie wordt vervolgens in respectieve fasedetectoren 34i bepaald, waarna met behulp van 10 de centrale verwerkingseenheid 35 uit de fase-informatie de gewenste meetwaarde voor de absorptie van de frequentiecomponenten met respectieve frequentie vA (i=i,2,3,...,n) wordt afgeleid, die bijvoorbeeld wordt weergegeven op het beeldscherm 7.The operation of the absorption spectrometer of Figure 4 will be described below. Radiation source 1 casts electromagnetic radiation 17, the intensity of which is modulated with a certain angular frequency Ω with the aid of signal generator 6, on the inlet 15 of the cavity 2 filled with a gaseous specimen 24. Part of the coupled radiation is absorbed, a part 43 will be via 1 oo? ' ? 9 outlet 16 is coupled out and falls on the dispersing unit 44, which splits the incident radiation 43 into a number of n components 45A (i = 1,2,3..., N) with respective frequencies νΑ. The frequency components 45 ± are incident on 5 respective radiation detectors 33i, which convert the radiation intensity into respective electrical signals containing information about the phase of the coupled radiation. This phase information is then determined in respective phase detectors 34i, after which the desired measured value for the absorption of the frequency components with respective frequency vA (i = i, 2,3, ..) is obtained from the phase information by means of the central processing unit 35. ., n) is derived, which is shown, for example, on the screen 7.
15 De absorptie-coëfficiënt k^j. voor een frequentiecomponent met frequentie hangt weer als volgt samen met een karakteristieke afvaltijd Tv<i __d_ τ',Γ ca-Λ^+κ^ΐ) <3'ί 2015 The absorption coefficient k ^ j. for a frequency component with frequency, again, it is related as follows with a characteristic decay time Tv <i __d_ τ ', Γ ca-Λ ^ + κ ^ ΐ) <3'ί 20
Op een vergelijkbare wijze als met de spectrometer volgens fig. 1 kan de absorptie-coëfficiënt Kvi op een eenvoudige wijze worden bepaald, waarbij fluctuaties in de amplitude van de 25 straling wederom geen invloed hebben op de nauwkeurigheid van de bepaling. Hiertoe wordt met fasedetectoren 34i voor iedere frequentiecomponent met frequentie het faseverschil φν A gemeten. Dit faseverschil hangt samen met de karakteristieke afvaltijd τ^,ι volgens de relatie 30 tan Φν<1 = Ωτν,ι (4 1) zodat 'cv,i=^1:an<I,v.i (5 1 ) 35In a comparable manner as with the spectrometer according to Fig. 1, the absorption coefficient Kvi can be determined in a simple manner, wherein fluctuations in the amplitude of the radiation again do not affect the accuracy of the determination. To this end, the phase difference φν A is measured with phase detectors 34i for each frequency component with frequency. This phase difference is related to the characteristic waste time τ ^, ι according to the relationship 30 tan Φν <1 = Ωτν, ι (4 1) so that 'cv, i = ^ 1: an <I, v.i (5 1) 35
In de centrale verwerkingseenheid wordt de waarde van Kvi uit de vergelijkingen (3’) en (5') afgeleid.In the central processing unit, the value of Kvi is derived from equations (3 ') and (5').
Opgemerkt zij dat de uitvinding geenszins beperkt is door \ o c ? \'i ^ 10 de hierboven beschreven uivoeringsvormen. In beginsel zijn bijvoorbeeld andere stralingsbronnen naast de hierboven genoemde toepasbaar, zoals bijvoorbeeld diode-lasers en atomaire-emissielampen, waarbij het frequentiebereik 5 bijvoorbeeld in het gebied van ca. 20 μτα tot 200 nm ligt, waar spiegels met voldoend goede reflectie-eigenschappen, alsmede geschikte stralingsdetectoren beschikbaar zijn. Een spectrometer volgens de uitvindig kan worden zowel worden voorzien van een monochromatische, al dan niet coherente 10 stralingsbron, als van een breedbandige stralingsbron. In het laatste geval moet de frequentie-selectieve informatie via Fourier-transformatie of via spectrale dispersie worden verkregen. De minimale licht-intensiteiten die zijn vereist in een gecollimeerde bundel zijn in de orde van grootte van enkele 15 /zW/cnr1. De optimale modulatiefrequentie wordt bepaald door de ring-down tijd van een lege trilholte, en is bijvoorbeeld ca. 3 MHz voor een waarde τ = 50 ns, en is bijvoorbeeld ca. 3kHz voor een waarde τ = 50 με, waarbij de detectie-elektronica aan de betreffende waarden is aangepast.It should be noted that the invention is in no way limited by \ o c? The embodiments described above. In principle, for example, other radiation sources can be used in addition to those mentioned above, such as, for example, diode lasers and atomic emission lamps, the frequency range 5 being, for example, in the range of approximately 20 μτα to 200 nm, where mirrors with sufficiently good reflection properties, as well as suitable radiation detectors are available. A spectrometer according to the invention can be provided with a monochromatic, coherent or non-coherent radiation source, as well as with a broadband radiation source. In the latter case, the frequency-selective information must be obtained by Fourier transform or by spectral dispersion. The minimum light intensities required in a collimated beam are of the order of a few 15 / zW / cnr1. The optimal modulation frequency is determined by the ring-down time of an empty cavity, and is, for example, approx. 3 MHz for a value τ = 50 ns, and is, for example, approx. 3 kHz for a value τ = 50 με, where the detection electronics is adapted to the respective values.
10 02 1 79.10 02 1 79.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL1002179A NL1002179C2 (en) | 1996-01-26 | 1996-01-26 | Absorption spectrometer for solids, liquids and gases |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL1002179 | 1996-01-26 | ||
| NL1002179A NL1002179C2 (en) | 1996-01-26 | 1996-01-26 | Absorption spectrometer for solids, liquids and gases |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NL1002179C2 true NL1002179C2 (en) | 1997-07-29 |
Family
ID=19762208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NL1002179A NL1002179C2 (en) | 1996-01-26 | 1996-01-26 | Absorption spectrometer for solids, liquids and gases |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| NL (1) | NL1002179C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1139079A2 (en) * | 2000-03-27 | 2001-10-04 | Eurolab Instruments GmbH | Method for measuring optical transmission or reflection |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL9301533A (en) * | 1993-09-06 | 1995-04-03 | Stichting Katholieke Univ | Pulsed multiplex absorption spectrometer and method for determining, inter alia, absorption and reflectance characteristics of substances |
| US5528040A (en) * | 1994-11-07 | 1996-06-18 | Trustees Of Princeton University | Ring-down cavity spectroscopy cell using continuous wave excitation for trace species detection |
-
1996
- 1996-01-26 NL NL1002179A patent/NL1002179C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL9301533A (en) * | 1993-09-06 | 1995-04-03 | Stichting Katholieke Univ | Pulsed multiplex absorption spectrometer and method for determining, inter alia, absorption and reflectance characteristics of substances |
| US5528040A (en) * | 1994-11-07 | 1996-06-18 | Trustees Of Princeton University | Ring-down cavity spectroscopy cell using continuous wave excitation for trace species detection |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| HERBELIN J M ET AL: "Sensitive measurement of photon lifetime and true reflectances in an optical cavity by a phase-shift method", APPLIED OPTICS, 1 JAN. 1980, USA, vol. 19, no. 1, ISSN 0003-6935, pages 144 - 147, XP002014375 * |
| O'KEEFE A ET AL: "Cavity ring-down optical spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, DEC. 1988, USA, vol. 59, no. 12, ISSN 0034-6748, pages 2544 - 2551, XP002014376 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1139079A2 (en) * | 2000-03-27 | 2001-10-04 | Eurolab Instruments GmbH | Method for measuring optical transmission or reflection |
| EP1139079A3 (en) * | 2000-03-27 | 2002-12-11 | Eurolab Instruments GmbH | Method for measuring optical transmission or reflection |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3307730B2 (en) | Optical measuring device | |
| US4371785A (en) | Method and apparatus for detection and analysis of fluids | |
| GB1436238A (en) | Light analyzing apparatus | |
| KR940016660A (en) | Thin Film Thickness Measurement Apparatus and Method | |
| EP1645854A1 (en) | Method and apparatus for measurement of optical detector linearity | |
| JPH05264355A (en) | Infrared ellipsometer | |
| CA2108422A1 (en) | Dual interferometer spectroscopic imaging system | |
| US5583643A (en) | Methods of and apparatus for measurement using acousto-optic devices | |
| US7064828B1 (en) | Pulsed spectroscopy with spatially variable polarization modulation element | |
| US20080018907A1 (en) | Optical apparatus and method for distance measuring | |
| US5640245A (en) | Spectroscopic method with double modulation | |
| JP3562768B2 (en) | Circularly polarized dichroism, method for measuring optical rotation and absorption spectrum and dichrograph for measurement | |
| US2648249A (en) | Frequency modulated photometer | |
| US5406377A (en) | Spectroscopic imaging system using a pulsed electromagnetic radiation source and an interferometer | |
| US4383181A (en) | Method and apparatus for analyzing a gaseous mixture | |
| NL1002179C2 (en) | Absorption spectrometer for solids, liquids and gases | |
| KR20000011448A (en) | Process and device for measuring the thickness of a transparent material | |
| US4906095A (en) | Apparatus and method for performing two-frequency interferometry | |
| US5285260A (en) | Spectroscopic imaging system with ultrasonic detection of absorption of modulated electromagnetic radiation | |
| US4449823A (en) | Device for measurement of the spectral width of nearly monochromatic sources of radiant energy | |
| EP0579707B1 (en) | Apparatus for measurement using an acousto-optic device | |
| WO1996000887A1 (en) | An improved optical sensor and method | |
| Mori et al. | Interferometric Method for Measuring Ultrasonic Light Diffraction Spectra | |
| HU182123B (en) | Method and apparatus for mesuring the physical characteristics of materials in motion using coherent light source with heterodyn sensing of the reflected or scattered light from the materials | |
| SU879329A1 (en) | Method of liquid photometric analysis |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD2B | A search report has been drawn up | ||
| VD1 | Lapsed due to non-payment of the annual fee |
Effective date: 20000801 |