WO2011023686A1 - Vorrichtung und verfahren zum spektroskopischen nachweis von molekülen - Google Patents

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pulse
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Wolfgang Schade
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Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a device for the spectroscopic detection of molecules, comprising a resonance body, a device for detecting a vibration of the resonance body and at least one laser light source whose laser light can be brought into interaction with the molecules to be detected. Furthermore, the invention relates to a method for the spectroscopic detection of molecules.
  • the known method has the disadvantage that the detection of a large number of different molecules or compounds requires a large number of different laser diodes, since they can each provide only a very narrow frequency band for the excitation of the molecules to be detected.
  • the object of the invention is therefore to provide a device and a method of the type mentioned above, with which a plurality of different molecules can be detected in a simple manner and in a short time.
  • a further object of the invention is to increase the sensitivity and / or the quantitative accuracy of the analysis.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 11.
  • the resonance body is introduced into a gas phase containing the molecules to be detected.
  • the vibration of the resonator is excited photoacoustically, i. by means of a light radiation induced pressure change of the surrounding gas phase.
  • the at least one resonance body can also be used as a photon pulse detector in that light scattered on the molecules to be detected is imaged onto the resonance body by means of focusing or collimating optics.
  • a pulsed laser light source which is capable of emitting light pulses of less than 200 fs duration. Since the spectral width of the light pulse behaves inversely proportional to its duration, unlike the known method with decreasing pulse duration is not just a single, sharply defined wave Length for excitation of the molecules to be detected available, but a variety of wavelengths with which a variety of different excitations of a molecule or a variety of different excitations in different molecules can be used for the spectroscopic detection.
  • a device for pulse shaping of the emitted light pulses from the laser light source is further provided.
  • the pulse shaping can be effected in a manner known per se by modulation of the amplitude and / or the phase of the emitted light pulses.
  • a spatial light modulator can be provided for this purpose. In this way, the light pulses emitted by the laser light source, despite their opposite one
  • the pulse shape or the temporal substructure of the light pulses emitted by the laser light source can be changed.
  • Changing the temporal substructure is possible in a simple manner and with only short switching times. If the temporal substructure of the pulses is adapted to the resonance frequency of a molecule transition, the chosen molecular transition can be selectively excited. This frequency is typically in the range of a few THz (10 12 Hz).
  • Wavelength of the laser can be largely negligible. It is crucial in some embodiments of the
  • a plurality of different molecules can be made be detected sequentially in a short time.
  • a plurality of different excitations of a molecule can be used sequentially for spectroscopic detection. In this way, the measurement results obtained with different suggestions can be mutually plausible to the
  • excitations used may provide vibrational excitations
  • emitted laser pulses are sequentially varied so as to be able to detect sequentially different molecules in this way. Since the detection of individual molecules requires only about 100 to about 1000 light pulses, in some embodiments of the invention, different molecules can be detected at high repetition rate of the laser light source used in a short time and thus quasi simultaneously. In one development of the invention, it may be provided to correct a deviation of the actual shape of the light pulses from a predefinable desired shape by means of a control device. In this way, the sensitivity and the accuracy of the spectroscopic detection can be further improved.
  • the light pulses can be emitted with a predeterminable phase relationship to the resonant frequency of the resonator used to detect the measurement signal.
  • Transmission of light pulses are in a predeterminable ratio to the resonance frequency.
  • the predefinable ratio can in some embodiments of the invention are between 0.5 and 5. In one embodiment of the invention, the
  • the at least one means for detecting a vibration of the resonant body may be configured to measure an electrical voltage which generates a piezoelectric resonator body as it is deformed.
  • the device for detecting at least one vibration of the at least one resonance body can also be configured to optically detect a movement of the resonance body. For this purpose, for example, a measuring beam of coherent light and an interferometer can be used.
  • the optical modulator may also be formed of a piezoelectric material. In this way, the optical modulator can be vibrated in a particularly simple manner by applying an electrical signal.
  • the optical modulator and / or the resonance body may comprise at least two approximately parallel arranged elements, each of which is fixed to a connecting element with a foot point and cantilevered freely at its end opposite the foot point. In this way, the visual impression of a fork or a rake results.
  • a resonance body may, in some embodiments, facilitate the spectroscopic detection of gaseous molecules if the at least two elements arranged approximately in parallel at least partially surround the measuring space in which the molecules to be detected are located. limit it. As a result, an immediate effect of the pressure fluctuation arising during the excitation of the molecules on the at least two elements arranged approximately in parallel is made possible. Furthermore, this geometry allows efficient suppression of coupled-in
  • the molecules to be detected emit light themselves in a characteristic manner after being excited by at least one light pulse emitted by the laser light source.
  • This light can be imaged onto the resonator by means of focusing and / or collimating optics.
  • the resonance body acts as a photon pulse detector.
  • the resonator can be arranged together with the other components of the proposed device according to the invention in a common housing. This results in an easily transportable device, the geometric detection range can be determined by aligning the laser light source and the optics to a desired target area.
  • This embodiment of the invention may be suitable for the detection of molecules which are absorbed on a surface or themselves form the surface of a solid.
  • this embodiment of the invention can be used to determine the presence and / or concentration of
  • molecules in a solution when the solution for the light emitted by the molecules after the laser excitation light has a sufficiently low absorption coefficient. There is an interaction between the absorption coefficient and the detection limit of the measurement method such that the detection limit is shifted to smaller concentrations when the absorption coefficient decreases.
  • molecules can be detected which are hidden behind a container wall.
  • an opening is introduced into the container wall by means of a plurality of light pulses of less than 200 fs duration with a predeterminable first pulse shape and subsequently at least a second plurality of light pulses with a prescribable second pulse form interact with the molecules to be detected , In this way, by means of the laser light source, a hole in the
  • Container wall are introduced, through which the
  • spectroscopic detection of the hidden behind the container wall molecules can be performed.
  • the laser light source may, in some embodiments of the invention, introduce a bore which has such a small diameter that it does not impair the technical function and / or the visual appearance of the container wall.
  • the visual appearance should not be considered impaired, in particular, if the hole is imperceptible to the naked eye from a distance of a few 10 cm.
  • the first pulse shape may be different from the second pulse shape.
  • Invention may be the first pulse shape with the second
  • Pulse shape be identical. Likewise, in the first
  • FIG. 1 shows the basic principle used for the spectroscopic detection of molecules according to an embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows schematically the structure of a first embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 3 schematically shows a second embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 4 illustrates the interaction of an optical
  • FIG. 5 shows a flowchart of the invention
  • FIG. 1 illustrates the basic principle used for the spectroscopic detection of molecules.
  • FIG. 1 shows a ground state n1 and an excited state n2.
  • the excited state n2 may be, for example, a vibrationally excited state and / or a rotationally excited state of a molecule. Shown are the respective occupations and the radiated or emitted optical power at four different times A, B, C and D.
  • the molecule is in the ground state nl, as shown at time point A.
  • the molecule is excited into a virtual intermediate state.
  • the energy hv 3 can correspond to the energy h-Vi. In other embodiments of the invention, the energy hv 3 may also be an energy different from the energy h-Vi. Due to the absorption of the photon with the energy hv 3 , the molecule is in turn excited into a virtual state starting from the excited state n 2 .
  • the virtual state excited at the time C decays into the ground state n1, whereby a photon with the frequency hv 4 is emitted.
  • This photon can be directed by means of a focusing and / or collimating optics onto the resonant body proposed according to the invention, which as a photon pulse detector detects the presence of the resonator
  • the number of photons detected correlates with the number of molecules present. If no molecule is present which has the energy levels shown in FIG. 1, the irradiation of the photons h-Vi, hv 2 and hv 3 does not lead to the excitation shown and thus also not to the emission of the photon hv 4 . In this way, both a quantitative and a qualitative detection of the presence of the corresponding molecule can be performed.
  • Point B transition excited state by means of a rotational-translational energy transfer to the ground state nl.
  • the energy supplied to the molecule by the excitation by means of the photons h-Vi and hv 2 is converted into a pressure fluctuation, which is determined by means of the
  • Resonant body can be measured when it is located at a distance from the excited molecule, which is smaller than the mean free path of the molecule.
  • the photons h-Vi, hv 2 and hv 3 are provided by means of a single light pulse, which has obtained a corresponding pulse shape by modulating the amplitude and / or the phase. In this way, by modulation of the amplitude and / or the phase in short Time other photons are provided with other energies to other molecules or other suggestions of the
  • the light pulse in one embodiment of the invention has a time width of less than 200 fs.
  • the light pulse may have a time width of less than 100 fs, less than 50 fs or less than 20 fs.
  • a light pulse having a time width of 20 fs indicates one
  • FIG. 2 schematically illustrates the structure of the device according to the invention according to a first embodiment.
  • FIG. 2 shows a laser light source 13 which emits light pulses 21 of less than 200 fs duration.
  • the light pulses 21 may have a duration of less than 200 fs, less than 100 fs, less than 50 fs, or less than 20 fs.
  • the pulse duration decreases, the spectral width increases.
  • a pulse 21 of 20 fs duration can have a spectral width of 100 nm.
  • the pulse repetition frequency of the light pulses 21 may be 100 MHz in some embodiments of the invention. In other embodiments of the invention, the pulse repetition frequency may be 50 MHz, 20 MHz, 10 MHz, 1 MHz or an intermediate value thereof.
  • the light pulses 21 are directed to a pulse shaping device 14.
  • each of the supplied light pulses 21 is shaped by modulation of the amplitude and / or the phase in a manner known per se.
  • the spectral width of the light pulses 21 is limited to such an extent that the light pulses 20 provided at the output of the device 14 are at least one predeterminable one allow selective excitation of at least one predeterminable molecule.
  • an optional control device 15 may be provided.
  • the control device 15, the light pulses 20 are supplied via a second output of the device 14.
  • the supplied light pulses 20 are analyzed. Deviations of the pulse shape from a predefinable desired form are converted into an optical and / or electrical
  • the light pulses 20 then pass to a modulator 12, which will be explained in more detail in connection with FIG.
  • the modulator 12 is configured to blank out a predeterminable number of light pulses 20 so that the pulse repetition frequency of the light pulses 20 behind the optical modulator 12 is lower than before the optical modulator 12.
  • the pulse repetition frequency behind the optical modulator 12 can be about 1 MHz, about 100 kHz, about 32 kHz, about 20 kHz or about
  • Invention corresponds to the pulse repetition frequency of the light pulses 20 behind the optical modulator 12 of the resonant frequency of the resonator body 11.
  • the optical modulator 12 for this purpose
  • resonant body 11 used for the detection.
  • the resonator body 11 has a fork-shaped basic structure, as explained in more detail in connection with FIG. In other embodiments of the invention, the resonant body 11 may also have a different geometric shape, for example the shape of a cuboid or a cylinder.
  • the two approximately parallel elements 113 and 114 enclose a space 18.
  • the molecules to be detected for example in one too
  • Detachable molecules of the gas are excited by the light pulses 20.
  • the de-excitation of the excited molecules leads to a pressure fluctuation of the gas or of the fluid in the space 18 and thereby to a photoacoustic signal, as described in connection with FIG.
  • the photoacoustic signal leads to the excitation of a vibration of the resonator 11.
  • the vibration of the resonance body 11 can be detected by means of an electrical signal.
  • a lock-in amplifier 17 is available, which is connected in phase with the optical modulator 12. In this way, an electrical measurement signal is available at the output 17a of the lock-in amplifier 17, which scales with the number of molecules to be detected in the interior of the space 18.
  • it may be provided to sequentially irradiate different pulse shapes of the light pulses 20 into the space 18. For this purpose, it can be provided with the aid of the control device 15, a different desired shape
  • the change in the pulse shape or the temporal substructure can be carried out continuously so that a predeterminable pattern of the temporal substructure or a chronological sequence of predeterminable patterns is traversed in a defined sequence.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the device 10 according to the invention.
  • the embodiment according to FIG. 3 also contains a laser light source 13 which emits light pulses 21 of less than 200 fs duration, as described in connection with FIG.
  • the light pulses 21 are formed by means of a device 14 to provide in this way light pulses 20 with a predetermined desired shape. Deviations from this desired shape can be corrected by means of a control device 15.
  • the light pulses 20 are blanked by means of an optical modulator 12, as described in connection with FIG.
  • the light pulses reach a surface 30 of a solid.
  • molecules to be detected may be adsorbed.
  • Embodiments of the invention may also make the constituents of the solid itself accessible to spectroscopic detection.
  • the molecules to be detected are excited by the light pulses 20, as described in connection with FIG. This results in the emission of light 22 with a specific wavelength.
  • the light 22 is directed by means of an optical system 19 on the resonator 11, which operates as a photon pulse detector.
  • the signal evaluation can then, as in context represented by Figure 2, by one in Figure 3 is not
  • the optics 19 may be a collimating optic or a
  • the optics 19 may include at least one optical lens. Furthermore, the optics 19 may include at least one aperture.
  • the resonator 11 may be disposed at a predetermined location within the half-space, which is bounded by the surface 30. In some embodiments of the invention, the resonator body 11 is in the vicinity of the components 12, 13, 14 and / or 15, so as to be incorporated in one
  • the light pulses 21 and the light pulses 20 may be passed in the free jet or in an optical fiber.
  • the optical paths can also be carried out partly in the free jet and partly in an optical fiber.
  • Figure 4 illustrates the operation of the optical
  • the resonator 11 includes at least two substantially parallel elements 113 and 114. Each of the two elements 113 and 114 is fixed to a junction 111 at a root 112. The foot 112 opposite end cantilevered out freely. In this way, the at least two, approximately parallel elements 113 and 114 a
  • the vibration can be in-phase or out-of-phase. If the resonator 11 is made of a piezoelectric material, only the antiphase oscillation of the elements 113 and 114 results in a piezoelectric signal. This way can on the
  • the optical modulator 12 may have an identical structure to that of FIG.
  • the optical modulator 12 has the same resonant frequency as the resonant body 11. As a result, the optical modulator 12, the beam of
  • Resonant body 11 leads.
  • FIG. 5 shows a flowchart of an exemplary embodiment of the method proposed according to the invention.
  • a prescribable pulse shape is determined, which is suitable for the spectroscopic detection of a predeterminable molecule. This pulse shape is then fed to a pulse shaping device.
  • a pulse shaping device In the second method step 52, a plurality of
  • the light pulses generated in the preceding method step are conducted to a predeterminable location at which the molecules to be detected are located. In this way, there is an interaction between the light pulses and the molecules to be detected.
  • a vibration is generated in a resonant body 11 in the fourth method step 54.
  • the oscillation in the resonator 11 can either by the photon pulse of the
  • the oscillation of the resonance body 11 is detected.
  • the detection of the oscillation may include determining the frequency and / or the amplitude.
  • the detection of the oscillation can take place by detecting an electrical signal, for example one
  • the detection of the oscillation can take place by evaluation of an optical signal
  • the first process step is again carried out after completion of the fifth process step.
  • the process runs cyclically until all spectroscopic evidence has been performed.
  • Embodiments again be selected the first pulse shape, so that the detection of a plurality of molecules is repeated cyclically.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for spectroscopic
  • the method proposed according to the invention and the device proposed according to the invention can be used for the detection of explosives and / or explosives in the gas phase or as solids.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen, enthaltend einen Resonanzkörper, eine Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers und zumindest eine Laserlichtquelle, deren Laserlicht mit den nachzuweisenden Molekülen in Wechselwirkung bringbar ist, und welche dazu eingerichtet ist, Lichtpulse von weniger als 200 fs Dauer auszusenden, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zur Pulsformung der von der Laserlichtquelle ausgesandten Lichtpulse durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase enthält, welche dazu eingerichtet ist, sequenziell unterschiedliche Pulsformen der Lichtpulse zu erzeugen.

Description

_ _
Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen, enthaltend einen Resonanzkörper, eine Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung des Resonanz - körpers und zumindest eine Laserlichtquelle, deren Laserlicht mit den nachzuweisenden Molekülen in Wechselwirkung bringbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen.
Aus A. A. Kosterev et al . : Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, Optics Letters, Vol. 27, No. 21 (2002) 1902 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Dieses bekannte Nachweisverfahren offenbart die Verwendung eines gabelförmigen Quarzkristalls als hochempfindliches Mikrofon, mit welchem Druckschwankungen in einer Gasphase detektierbar sind. Die Druckschwankungen werden gemäß dem bekannten Ver- fahren mittels einer Laserdiode erzeugt, welche mittels spektral schmalbandiger Strahlung die Moleküle der Gasphase selektiv anregt. Aufgrund des großen Gütefaktors des zum Nachweis verwendeten gabelförmigen Quarzkristalls kann die Sensitivität der photoakustischen Messungen gesteigert werden.
Das bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass der Nachweis einer Vielzahl unterschiedlicher Moleküle bzw. Verbindungen eine Vielzahl unterschiedlicher Laserdioden erfordert, da diese jeweils nur ein sehr enges Frequenzband für die Anregung der nachzuweisenden Moleküle bereitstellen können . Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit wel- ehern in einfacher Weise und in kurzer Zeit eine Mehrzahl unterschiedlicher Moleküle nachweisbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Sensitivität und/oder die quantitative Genauigkeit der Analyse zu vergrößern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
Weiterhin umfasst die Lösung der Aufgabe eine Verwendung nach Anspruch 10.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen zumindest einen Resonanzkörper und zumindest eine Einrichtung zur Erkennung zumindest einer
Schwingung des Resonanzkörpers zu verwenden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Resonanzkörper in eine Gasphase eingebracht, welche die nachzuweisenden Moleküle enthält. Die Schwingung des Resonanzkörpers wird photo- akustisch angeregt, d.h. mittels einer durch Lichtstrahlung induzierten Druckänderung der umgebenden Gasphase. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der zumindest eine Resonanzkörper auch als Photonenimpulsdetektor verwendet werden, indem an den nachzuweisenden Molekülen gestreutes Licht mittels einer fokussierenden oder kollimierenden Optik auf den Resonanzkörper abgebildet wird.
Zur Anregung der nachzuweisenden Moleküle wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine gepulste Laserlichtquelle zu verwenden, welche in der Lage ist, Lichtpulse von weniger als 200 fs Dauer auszusenden. Da sich die spektrale Breite des Lichtpulses umgekehrt proportional zu dessen Dauer verhält, steht anders als bei dem bekannten Verfahren mit abnehmender Pulsdauer nicht nur eine einzelne, scharf begrenzte Wellen- länge zur Anregung der nachzuweisenden Moleküle zur Verfügung, sondern eine Vielzahl von Wellenlängen, mit welchen eine Vielzahl von unterschiedlichen Anregungen eines Moleküls oder aber eine Vielzahl von unterschiedlichen Anregungen in unterschiedlichen Molekülen für den spektroskopischen Nachweis verwendet werden können.
Um eine Selektivität des spektroskopischen Nachweises auf wenige oder ein einzelnes nachweisbares Molekül zu ermöglichen, ist weiterhin eine Einrichtung zur Pulsformung der von der Laserlichtquelle ausgesandten Lichtpulse vorgesehen. Die Pulsformung kann dabei in an sich bekannter Weise durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase der ausgesandten Lichtpulse erfolgen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann hierzu ein räumlicher Lichtmodulator vorgesehen sein. Auf diese Weise können die von der Laserlichtquelle ausgesandten Lichtpulse trotz ihrer gegenüber einem
Dauerstrich-Laser vergrößerten spektralen Breite zur
selektiven Anregung einzelner Moleküle und/oder einzelner, vorgebbarer Anregungen innerhalb eines Moleküls verwendet werden.
Durch Ändern der Modulation der Amplitude und/oder der Phase kann die Pulsform bzw. die zeitliche Substruktur der von der Laserlichtquelle ausgesandten Lichtpulse verändert werden. Das Ändern der zeitlichen Substruktur ist dabei in einfacher Weise und mit nur kurzen Schaltzeiten möglich. Sofern die zeitliche Substruktur der Pulse an die Resonanzfrequenz eines Molekülübergangs angepasst wird, kann der gewählte Molekül - Übergang selektiv angeregt werden. Diese Frequenz liegt typischerweise im Bereich einiger THz (1012 Hz) . Die
Wellenlänge des Lasers kann dabei weitgehend unerheblich sein. Entscheidend ist in einigen Ausführungsformen der
Erfindung lediglich die zeitliche Substruktur der Pulse.
Durch Ändern der Modulation der Amplitude und/oder der Phase kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Molekülen sequenziell in kurzer Zeit nachgewiesen werden. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine Mehrzahl unterschiedlicher Anregungen eines Moleküls sequenziell zum spektroskopischen Nachweis verwendet werden. Auf diese Weise können die mit unterschiedlichen Anregungen erhaltenen Messergebnisse gegenseitig plausibilisiert werden, um die
Genauigkeit eines quantitativen Nachweises und/oder die
Nachweisgrenze zu verbessern. Die erfindungsgemäß zum
Molekülnachweis verwendeten Anregungen können in einigen Ausführungsformen der Erfindung Schwingungsanregungen
und/oder Rotationsanregungen sein.
Erfindungsgemäß kann die zeitliche Substruktur der
ausgesandten Laserpulse sequenziell variiert werden, um auf diese Weise sequenziell unterschiedliche Moleküle nachweisen zu können. Da der Nachweis einzelner Moleküle nur etwa 100 bis etwa 1000 Lichtpulse benötigt, können in einigen Ausführungsformen der Erfindung unterschiedliche Moleküle bei großer Repetitionsrate der verwendeten Laserlichtquelle in kurzer Zeit und damit quasi gleichzeitig nachgewiesen werden. In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, mittels einer Regeleinrichtung eine Abweichung der Ist-Form der Lichtpulse von einer vorgebbaren Soll-Form zu korrigieren. Auf diese Weise kann die Sensitivität und die Genauigkeit des spektroskopischen Nachweises weiter verbessert wer- den.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, zusätzlich einen optischen Modulator bzw. einen Chopper einzusetzen, um den Zeitpunkt der Aussendung von Lichtpulsen zu kontrollieren. Auf diese Weise können die Lichtpulse mit einer vorgebbaren Phasenbeziehung zur Resonanzfrequenz des zum Nachweis des Messsignales verwendeten Resonanzkörpers ausgesandt werden. Beispielsweise kann die Frequenz der
Aussendung von Lichtpulsen in einem vorgebbaren Verhältnis zur Resonanzfrequenz stehen. Das vorgebbare Verhältnis kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen 0,5 und 5 liegen. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das
Verhältnis etwa 1 betragen. Die phasenstarre Kopplung der Laserlichtquelle mit dem Resonanzkörper eröffnet die
Möglichkeit, das Messsignal des Resonanzkörpers mittels eines Lock-In-Verstärkers aufzunehmen und dadurch die Sensitivität des Nachweises durch Unterdrückung des statistischen Hintergrundrauschens zu erhöhen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zumindest eine Einrichtung zur Erkennung einer Schwingung des Resonanz - körpers dazu eingerichtet sein, eine elektrische Spannung zu messen, welche ein piezoelektrischer Resonanzkörper bei seiner Verformung erzeugt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Erkennung zumindest einer Schwingung des zumindest einen Resonanzkörpers auch dazu eingerichtet sein, eine Bewegung des Resonanzkörpers optisch zu detektieren. Hierzu kann beispielsweise ein Messstrahl kohärenten Lichtes und ein Interferometer verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auch der optische Modulator aus einem piezoelektrischen Material ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der optische Modulator in besonders einfacher Weise durch Anlegen eines elektrischen Signales in Schwingung versetzt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der optische Modulator und/oder der Resonanzkörper zumindest zwei in etwa parallel angeordnete Elemente aufweisen, welche jeweils mit einem Fußpunkt an einem Verbindungselement fixiert sind und an ihrem dem Fußpunkt entgegengesetzten Ende frei auskragen. Auf diese Weise ergibt sich der optische Eindruck einer Gabel bzw. eines Rechens. Ein solcher Resonanzkörper kann in einigen Ausführungsformen den spektroskopischen Nachweis von gasförmigen Molekülen erleichtern, wenn die zumindest zwei in etwa parallel angeordneten Elemente den Messraum, in welchem sich die nachzuweisenden Moleküle befinden, zumindest teil- weise begrenzen. Dadurch wird eine unmittelbare Einwirkung der bei der Anregung der Moleküle entstehenden Druckschwankung auf die zumindest zwei in etwa parallel angeordneten Elemente ermöglicht. Weiterhin erlaubt diese Geo- metrie eine effiziente Unterdrückung von eingekoppeltem
Luftschall, wenn die Länge und/oder der Abstand der zumindest zwei in etwa parallel angeordneten Elemente geringer gewählt wird als die Wellenlänge des auf die Vorrichtung einwirkenden Schalls. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die nachzuweisenden Moleküle nach Anregung durch zumindest einen von der Laserlichtquelle ausgesandten Lichtpuls in charakteristischer Weise selbst Licht emittieren. Dieses Licht kann mittels einer fokussierenden und/oder kollimierenden Optik auf den Resonanzkörper abgebildet werden. In dieser Ausführungsform wirkt der Resonanzkörper als Photonenimpulsdetektor . Dadurch kann der Resonanzkörper zusammen mit den übrigen Komponenten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. Dadurch ergibt sich ein leicht transportables Gerät, dessen geometrischer Erfassungsbereich durch Ausrichten der Laserlichtquelle und der Optik auf einen gewünschten Zielbereich festgelegt werden kann. Diese Ausführungsform der Erfindung kann sich für den Nachweis von Molekülen eignen, welche auf einer Oberfläche absorbiert sind bzw. selbst die Oberfläche eines Festkörpers bilden. Weiterhin kann diese Ausführungsform der Erfindung dazu verwendet werden, die Anwesenheit und/oder die Konzentration von
Molekülen in einer Lösung nachzuweisen, wenn die Lösung für das von den Molekülen nach der Laseranregung ausgesandte Licht einen hinreichend kleinen Absorptionskoeffizienten aufweist. Dabei besteht eine Wechselwirkung zwischen dem Absorptionskoeffizienten und der Nachweisgrenze des Messverfahrens dergestalt, dass die Nachweisgrenze zu kleineren Konzentrationen verschoben wird, wenn der Absorptionskoeffizient sinkt. In einer Ausführungsform der Erfindung können Moleküle nachgewiesen werden, welche hinter einer Behälterwandung verborgen sind. In diesem Fall wird in einem ersten Verfahrensschritt mittels einer Mehrzahl von Lichtpulsen von weniger als 200 fs Dauer mit einer vorgebbaren ersten Pulsform eine Öffnung in die Behälterwandung eingebracht und nachfolgend zumindest eine zweite Mehrzahl von Lichtpulsen mit einer vorgebbaren zweiten Pulsform mit den nachzuweisenden Molekülen in Wechselwirkung gebracht. Auf diese Weise kann mittels der Laserlichtquelle eine Bohrung in die
Behälterwandung eingebracht werden, durch welche der
spektroskopische Nachweis der hinter der Behälterwandung verborgenen Moleküle durchgeführt werden kann.
Durch die Laserlichtquelle kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Bohrung eingebracht werden, welche einen so kleinen Durchmesser aufweist, dass sie die technische Funktion und/oder das optische Erscheinungsbild der Behälterwandung nicht beeinträchtigt. Das optische Erscheinungsbild soll insbesondere dann als nicht beeinträchtigt gelten, wenn die Bohrung mit bloßem Auge aus einer Entfernung von einigen 10 cm nicht wahrnehmbar ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste Pulsform von der zweiten Pulsform verschieden sein. In einer anderen Ausführungsform der
Erfindung kann die erste Pulsform auch mit der zweiten
Pulsform identisch sein. Ebenso kann die in der ersten
Mehrzahl von Lichtpulsen enthaltenen Anzahl sowie die in der zweiten Mehrzahl von Lichtpulsen enthaltenen Anzahl von
Lichtpulsen gleich oder unterschiedlich sein.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne
Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur 1 das zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendete Grundprinzip. Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 4 illustriert das Zusammenwirken eines optischen
Modulators mit einem zum Nachweis von Molekülen verwendeten Resonanzkörper.
Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verfahrens . Figur 1 illustriert das zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen verwendete Grundprinzip. In Figur 1 ist dabei ein Grundzustand nl und ein angeregter Zustand n2 dargestellt. Der angeregte Zustand n2 kann beispielsweise ein schwingungs- angeregter Zustand und/oder ein rotationsangeregter Zustand eines Moleküls sein. Dargestellt sind die jeweiligen Besetzungen sowie die eingestrahlte bzw. abgegebene optische Leistung zu vier verschiedenen Zeitpunkten A, B, C und D.
Zu Beginn der Messung befindet sich das Molekül im Grundzustand nl , wie im Zeitpunkt A dargestellt. Durch Ein- Strahlung von zumindest einem Photon mit der Energie h-Vi wird das Molekül in einen virtuellen Zwischenzustand angeregt.
Zum Zeitpunkt B trifft ein weiteres Photon auf das Molekül, welches die Frequenz V2 aufweist. Die Energie h-v2 dieses Photons entspricht dabei der Differenz der zum Zeitpunkt A eingestrahlten Energie h-Vi und dem energetischen Abstand der Zustände nl und n2. Zum Zeitpunkt B erfolgt eine stimulierte Abregung des virtuellen Zustandes und dadurch eine gezielte Bevölkerung des angeregten Niveaus n2.
Zum Zeitpunkt C wird ein weiteres Photon mit der Energie h-v3 absorbiert. Die Energie h-v3 kann der Energie h-Vi entsprechen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Energie h-v3 auch eine von der Energie h-Vi abweichende Energie sein. Durch die Absorption des Photons mit der Energie h-v3 wird das Molekül ausgehend vom angeregten Zustand n2 wiederum in einen virtuellen Zustand angeregt.
Der zum Zeitpunkt C angeregte virtuelle Zustand zerfällt in den Grundzustand nl , wobei ein Photon mit der Frequenz h-v4 ausgesendet wird. Dieses Photon kann mittels einer fo- kussierenden und/oder kollimierenden Optik auf den erfin- dungsgemäß vorgeschlagenen Resonanzkörper gelenkt werden, welcher als Photonenimpulsdetektor die Anwesenheit des
Photons und damit die Anwesenheit des betreffenden Moleküls detektiert. Die Anzahl der detektierten Photonen korreliert dabei mit der Anzahl der anwesenden Moleküle. Sofern kein Molekül vorhanden ist, welches die in Figur 1 dargestellten Energieniveaus aufweist, führt die Einstrahlung der Photonen h-Vi, h-v2 und h-v3 nicht zur gezeigten Anregung und damit auch nicht zur Aussendung des Photons h-v4. Auf diese Weise kann sowohl ein quantitativer als auch ein qualitativer Nachweis der Anwesenheit des entsprechenden Moleküls geführt werden.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der zum
Zeitpunkt B angeregte Zustand mittels einer Rotations- Translations-Energieübertragung in den Grundzustand nl übergehen. In diesem Fall wird die dem Molekül durch die An- regung mittels der Photonen h-Vi und h-v2 zugeführte Energie in eine Druckschwankung umgewandelt, welche mittels des
Resonanzkörpers gemessen werden kann, wenn dieser sich in einem Abstand zum angeregten Molekül befindet, welcher kleiner ist als die mittlere freie Weglänge des Moleküls. Die Photonen h-Vi, h-v2 und h-v3 werden erfindungsgemäß mittels eines einzigen Lichtpulses bereitgestellt, welcher durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase eine entsprechende Pulsform erhalten hat. Auf diese Weise können durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase in kurzer Zeit andere Photonen mit anderen Energien bereitgestellt werden, um andere Moleküle bzw. andere Anregungen des
gleichen Moleküls zum spektroskopischen Nachweis zu nutzen.
Der Lichtpuls weist in einer Ausführungsform der Erfindung eine zeitliche Breite von weniger als 200 fs auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Lichtpuls eine zeitliche Breite von weniger als 100 fs, weniger als 50 fs oder weniger als 20 fs aufweisen. Ein Lichtpuls mit einer zeitlichen Breite von 20 fs zeigt beispielsweise eine
spektrale Bandbreite von etwa 100 nm. Damit können bei einer Zentralwellenlänge von 800 nm im nahen Infrarotbereich nahezu alle Raman-aktiven Schwingungsniveaus nl und n2 verschiedener Moleküle durch entsprechende Pulsformung selektiv angeregt werden. Figur 2 illustriert schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. Figur 2 zeigt eine Laserlichtquelle 13, welche Lichtpulse 21 von weniger als 200 fs Dauer aussendet. Die Lichtpulse 21 können beispielsweise eine Dauer von weniger als 200 fs, weniger als 100 fs, weniger als 50 fs oder weniger als 20 fs aufweisen. Mit abnehmender Pulsdauer steigt die spektrale Breite. So kann ein Puls 21 von 20 fs Dauer eine spektrale Breite von 100 nm aufweisen. Die Pulsfolgefrequenz der Lichtpulse 21 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung 100 MHz betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Pulsfolgefrequenz 50 MHz, 20 MHz, 10 MHz, 1 MHz oder einen Zwischenwert davon betragen.
Die Lichtpulse 21 werden an eine Einrichtung 14 zur Pulsformung geleitet. In der Einrichtung 14 wird jeder der zuge- führten Lichtpulse 21 durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase in an sich bekannter Weise geformt. Durch diese Pulsformung wird die spektrale Breite der Lichtpulse 21 so weit beschränkt, dass die am Ausgang der Einrichtung 14 bereitgestellten Lichtpulse 20 zumindest eine vorgebbare selektive Anregung zumindest eines vorgebbaren Moleküls ermöglichen.
Um Abweichungen der Pulsform und der Lichtpulse 20 von einer vorgebbaren Sollform gering zu halten, kann eine optionale Regeleinrichtung 15 vorgesehen sein. Der Regeleinrichtung 15 werden die Lichtpulse 20 über einen zweiten Ausgang der Einrichtung 14 zugeführt. Hierzu kann die Einrichtung 14 beispielsweise einen teildurchlässigen Spiegel enthalten, welcher die zur Verfügung stehende Amplitude der Lichtpulse in einem vorgebbaren Verhältnis aufteilt.
In der Einrichtung 14 werden die zugeführten Lichtpulse 20 analysiert. Abweichungen der Pulsform von einer vorgebbaren Sollform werden in ein optisches und/oder elektrisches
Korrektursignal codiert und über die Leitung 16 der Einrich- tung 14 zugeführt.
Die Lichtpulse 20 gelangen sodann zu einem Modulator 12, welcher in Zusammenhang mit Figur 4 näher erläutert wird. Der Modulator 12 ist dazu eingerichtet, eine vorgebbare Anzahl von Lichtpulsen 20 auszutasten, sodass die Pulsfolgefrequenz der Lichtpulse 20 hinter dem optischen Modulator 12 geringer ist als vor dem optischen Modulator 12. Beispielsweise kann die Pulsfolgefrequenz hinter dem optischen Modulator 12 etwa 1 MHz, etwa 100 kHz, etwa 32 kHz, etwa 20 kHz oder etwa
10 kHz betragen. Fallweise sind auch Zwischenwerte der genannten Werte denkbar. In einigen Ausführungsformen der
Erfindung entspricht die Pulsfolgefrequenz der Lichtpulse 20 hinter dem optischen Modulator 12 der Resonanzfrequenz des Resonanzkörpers 11. In einigen Ausführungsformen der
Erfindung kann der optische Modulator 12 hierzu einen
identischen Resonanzkörper enthalten, wie der zum Nachweis verwendete Resonanzkörper 11.
Der Resonanzkörper 11 weist eine gabelförmige Grundstruktur auf, wie in Zusammenhang mit Figur 4 näher erläutert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Resonanz - körper 11 auch eine andere geometrische Form aufweisen, beispielsweise die Form eines Quaders oder eines Zylinders.
Im Falle eines gabelförmigen Resonanzkörpers 11 schließen die beiden in etwa parallel angeordneten Elemente 113 und 114 einen Raum 18 ein. Innerhalb des Raumes 18 befinden sich die nachzuweisenden Moleküle, beispielsweise in einem zu
analysierenden Gas bzw. einer Gasmischung oder in einem Fluid bzw. einer Lösung. Nachzuweisende Moleküle des Gases werden durch die Lichtpulse 20 angeregt. Die Abregung der angeregten Moleküle führt zu einer Druckschwankung des Gases bzw. des Fluides im Raum 18 und dadurch zu einem photoakustischen Signal, wie in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben. Das photoakustische Signal führt zur Anregung einer Schwingung des Resonanzkörpers 11.
Sofern der Resonanzkörper 11 aus einem piezoelektrischen Material gefertigt ist, kann die Schwingung des Resonanz - körpers 11 mittels eines elektrischen Signals nachgewiesen werden. Zur Detektion des elektrischen Signales steht ein Lock-In-Verstärker 17 zur Verfügung, welcher phasenstarr mit dem optischen Modulator 12 verbunden ist. Auf diese Weise steht am Ausgang 17a des Lock-In-Verstärkers 17 ein elektrisches Messsignal zur Verfügung, welches mit der Anzahl der nachzuweisenden Moleküle im Inneren des Raumes 18 skaliert. Um eine Mehrzahl unterschiedlicher Moleküle innerhalb des Raumes 18 sequenziell nachzuweisen, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, sequenziell unterschiedliche Pulsformen der Lichtpulse 20 in den Raum 18 einzustrahlen. Hierzu kann vorgesehen sein, mit Hilfe der Regeleinrichtung 15 eine unterschiedliche Sollform
vorzugeben. Auf diese Weise können nacheinander unterschiedliche Pulsformen der Lichtpulse 20 bereitgestellt werden, welche jeweils zur optischen Anregung unterschiedlicher nachzuweisender Moleküle geeignet und bestimmt sind. Da die Änderung der Pulsform innerhalb kurzer Zeit möglich ist und nur einige 100 oder einige 1000 Lichtpulse 20
erforderlich sind, um die Anwesenheit und/oder die Menge eines spezifischen Moleküls nachzuweisen, können innerhalb weniger Sekunden eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle nachgewiesen werden. Die Änderung der Pulsform bzw. der zeitlichen Substruktur kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung kontinuierlich erfolgen, so dass ein vorgebbares Muster der zeitlichen Substruktur bzw. eine zeitliche Abfolge von vorgebbaren Mustern in festgelegter Reihenfolge durchfahren werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Auch die Ausführungsform gemäß Figur 3 enthält eine Laserlichtquelle 13, welche Lichtpulse 21 von weniger als 200 fs Dauer aussendet, wie im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben. Ebenso werden die Lichtpulse 21 mittels einer Einrichtung 14 geformt, um auf diese Weise Lichtpulse 20 mit einer vorgebbaren Sollform bereitzustellen. Abweichungen von dieser Sollform können mittels einer Regelein- richtung 15 korrigiert werden. Die Lichtpulse 20 werden mittels eines optischen Modulators 12 ausgetastet, wie in Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben.
Hinter dem optischen Modulator 12 gelangen die Lichtpulse auf eine Oberfläche 30 eines Festkörpers. An der Oberfläche 30 können nachzuweisende Moleküle adsorbiert sein. In anderen
Ausführungsformen der Erfindung können auch die Bestandteile des Festkörpers selbst dem spektroskopischen Nachweis zugänglich gemacht werden.
Die nachzuweisenden Moleküle werden durch die Lichtpulse 20 angeregt, wie in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben. Dabei kommt es zur Aussendung von Licht 22 mit einer spezifischen Wellenlänge. Das Licht 22 wird mittels einer Optik 19 auf den Resonanzkörper 11 gelenkt, welcher als Photonenimpulsdetektor arbeitet. Die Signalauswertung kann dann, wie in Zusammenhang mit Figur 2 dargestellt, durch einen in Figur 3 nicht
dargestellten Lock-In-Verstärker erfolgen.
Die Optik 19 kann eine kollimierende Optik oder eine
fokussierende Optik sein. Die Optik 19 kann zumindest eine optische Linse enthalten. Weiterhin kann die Optik 19 zumindest eine Blende enthalten. Der Resonanzkörper 11 kann an einer vorgebbaren Stelle innerhalb des Halbraumes angeordnet sein, welcher von der Oberfläche 30 begrenzt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung befindet sich der Resonanzkörper 11 in der Nähe der Komponenten 12, 13, 14 und/oder 15, um auf diese Weise einen Einbau in einem
gemeinsamen Gehäuse zu ermöglichen.
Bei jeder der in Figur 2 und 3 dargestellten Ausführungsform können die Lichtpulse 21 und die Lichtpulse 20 im Freistrahl oder in einer optischen Faser geleitet werden. Die optischen Wege können auch teilweise im Freistrahl und teilweise in einer optischen Faser ausgeführt werden.
Figur 4 erläutert die Funktionsweise des optischen
Modulators 12 und des Resonanzkörpers 11, welcher zum
Nachweis des photoakustischen Signals verwendet wird. Der Resonanzkörper 11 enthält zumindest zwei, in etwa parallel angeordnete Elemente 113 und 114. Jedes der zwei Elemente 113 und 114 ist in einem Fußpunkt 112 an einem Verbindungselement 111 fixiert. Das dem Fußpunkt 112 entgegen gesetzte Ende kragt frei aus. Auf diese Weise können die zumindest zwei, in etwa parallel angeordneten Elemente 113 und 114 eine
Schwingung ausführen. Die Schwingung kann dabei gleichphasig oder gegenphasig verlaufen. Sofern der Resonanzkörper 11 aus einem piezoelektrischen Material gefertigt ist, führt nur die gegenphasige Schwingung der Elemente 113 und 114 zu einem piezoelektrischen Signal. Auf diese Weise kann auf die
Vorrichtung auftreffender Luftschall, welcher aufgrund seiner größeren Wellenlänge zu einer gleichphasigen Schwingung der Elemente 113 und 114 führt, unterdrückt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der optische Modulator 12 einen identischen Aufbau aufweisen wie der
Resonanzkörper 11. Dadurch weist der optische Modulator 12 die gleiche Resonanzfrequenz auf wie der Resonanzkörper 11. Dadurch kann der optische Modulator 12 den Strahl von
Lichtpulsen 20 mit der Resonanzfrequenz des Resonanzkörpers 11 austasten.
Die Strahlführung kann in einigen Ausführungsformen der
Erfindung zumindest ein optisches Element 180 vorsehen, um einen Zwischenfokus 190 zu erzeugen, welcher auf eines der in etwa parallel angeordneten Elemente 113a oder 114a des optischen Modulators 12 fokussiert ist. Auf diese Weise wird auftreffendes Licht vom optischen Modulator 12 absorbiert und/oder reflektiert. Im Raum 18 des Resonanzkörpers 11 kommt dadurch kein Licht an. Sofern der optische Modulator 12 mit seiner Resonanzfrequenz schwingt, bewegen sich die zwei in etwa parallel angeordneten Elemente 113a und 114a zyklisch, wodurch der Strahl 20 im Zwischenfokus 190 zyklisch
freigegeben wird. Über weitere optische Elemente 181 und 182 wird ein zweiter Fokus 191 erzeugt, welcher im Inneren des Raumes 18 des Resonanzkörpers 11 liegt. Auf diese Weise können nachzuweisende Moleküle im Inneren des Raumes 18 zyklisch angeregt werden. Somit wird das durch diese Moleküle erzeugte photoakustische Signal mit der Resonanzfrequenz des Resonanzkörpers 11 erzeugt, was zu einer effektiven
Schwingungs-anregung der zwei Elemente 113 und 114 des
Resonanzkörpers 11 führt.
Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens. In einem ersten Verfahrensschritt 51 wird eine vorgebbare Pulsform festgelegt, welche zum spektroskopischen Nachweis eines vorgebbaren Moleküls geeignet ist. Diese Pulsform wird dann einer Einrichtung zur Pulsformung zugeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 52 wird eine Mehrzahl von
Lichtpulsen von weniger als 200 fs Dauer und mit der im vorgehenden Verfahrensschritt ausgewählten Pulsform erzeugt.
Im dritten Verfahrensschritt 53 werden die im vorhergehenden Verfahrensschritt erzeugten Lichtpulse an einen vorgebbaren Ort geleitet, an welchem sich die nachzuweisenden Moleküle befinden. Auf diese Weise kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den Lichtpulsen und den nachzuweisenden Molekülen.
Sofern die nachzuweisenden Moleküle in einer Konzentration oberhalb der Nachweisgrenze vorhanden sind, wird im vierten Verfahrensschritt 54 eine Schwingung in einem Resonanz - körper 11 erzeugt. Die Schwingung im Resonanzkörper 11 kann dabei entweder durch den Photonenimpuls des von den
nachzuweisenden Molekülen ausgesandten Lichtes 22 erzeugt werden oder photoakustisch durch unmittelbare mechanische Einwirkung der Moleküle auf den Resonanzkörper 11.
Im fünften Verfahrensschritt 55 wird die Schwingung des Resonanzkörpers 11 erfasst. Das Erfassen der Schwingung kann das Bestimmen der Frequenz und/oder der Amplitude umfassen. Das Erfassen der Schwingung kann durch Erfassen eines elektrischen Signales erfolgen, beispielsweise eines
piezoelektrisch erzeugten Signales. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Erfassen der Schwingung durch Auswertung eines optischen Signales erfolgen,
beispielsweise mittels eines Interferometers, mittels einer Ortsmessung, einer Laufzeitmessung eines optischen Signals oder der Messung einer Dopplerverschiebung.
Sofern weitere Moleküle nachgewiesen werden sollen, welche von den ersten nachgewiesenen Molekülen verschieden sind und/oder der Nachweis des identischen Moleküls mittels einer weiteren Anregung erfolgen soll, wird nach Abschluss des fünften Verfahrensschrittes wiederum der erste Verfahrensschritt durchgeführt. Nachdem im ersten Verfahrensschritt 51 eine neue Pulsform gewählt wurde, welche den Nachweis eines anderen nachzuweisenden Moleküls oder die Anregung eines anderen angeregten Zustands desselben Moleküls erlaubt, läuft das Verfahren zyklisch ab, bis sämtliche spektroskopischen Nachweise durchgeführt wurden. Danach kann in einigen
Ausführungsformen wieder die erste Pulsform gewählt werden, so dass der Nachweis einer Mehrzahl von Molekülen zyklisch wiederholt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere zum spektroskopischen
Nachweis von Spurengasen in einer Gasatmosphäre. Weiterhin kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren und die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zur Detektion von Spreng- und/oder Explosivstoffen in der Gasphase oder als Festkörper verwendet werden.
Selbstverständlich können die dargestellten Ausführungsbeispiele variiert werden, um auf diese Weise weitere, unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als
beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die
nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche „erste" und „zweite" Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine
Rangfolge festzulegen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen, enthaltend einen Resonanzkörper (11) , eine Einrichtung (17) zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers (11) und zumindest eine Laserlichtquelle (13), deren
Laserlicht (21) mit den nachzuweisenden Molekülen in
Wechselwirkung bringbar ist, und welche
dazu eingerichtet ist, Lichtpulse (21) von weniger als 200 fs Dauer auszusenden, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung (14) zur Pulsformung der von der Laserlichtquelle (13) ausgesandten Lichtpulse (21) durch
Modulation der Amplitude und/oder der Phase enthält, dadurch gekennzeichnet, dass
die Einrichtung (14) zur Pulsformung dazu eingerichtet ist, sequenziell unterschiedliche Pulsformen der
Lichtpulse (20) zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine
Regeleinrichtung (15, 16), mit welcher eine Abweichung der Ist-Form der Lichtpulse (20) von einer vorgebbaren Soll- Form korrigierbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin enthaltend einen optischen Modulator (12) .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Modulator (12) und der Resonanzkörper (11) eine identische Resonanzfrequenz aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Modulator (12) und/oder der Resonanzkörper (11) aus einem piezoelektrischen
Material ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der optische Modulator (12) und/oder der Resonanzkörper (11) zumindest zwei in etwa parallel angeordnete Elemente (113, 114) aufweist, welche jeweils mit einem Fußpunkt (112) an einem Verbindungselement (111) fixiert sind und an ihrem dem Fußpunkt entgegen gesetzten Ende frei auskragen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Aufnahme der nachzuweisenden Moleküle bestimmter Raum (18) zumindest teilweise von dem Resonanzkörper (11) begrenzt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass der zur Aufnahme nachzuweisender gasförmiger Moleküle bestimmte Raum (18) zwischen den zumindest zwei in etwa parallel angeordneten Elementen (113, 114) ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, enthaltend weiterhin eine Optik (19) , welche das bei der Wechselwirkung des Laserlichtes mit den nachzuweisenden Molekülen entstehende Licht auf den Resonanzkörper (11) abbildet.
10. Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis 9 zur Detektion von Spreng- und/oder
Explosivstoffen.
11. Verfahren zum spektroskopischen Nachweis von Molekülen, enthaltend die folgenden Schritte:
- Erzeugen (52) von Lichtpulsen (20) von weniger als
200 fs Dauer und einer vorgebbaren Pulsform mittels einer Laserlichtquelle (13) ,
- Erzeugen einer Wechselwirkung (53) zwischen den
Lichtpulsen (20) von weniger als 200 fs Dauer und den nachzuweisenden Molekülen,
- Erzeugen einer Schwingung (54) in einem Resonanzkörper (11) durch Wechselwirkung der nachzuweisenden Moleküle mit dem Resonanzkörper (11) , und
- Erfassen der Schwingung (55) des Resonanzkörpers (11)
- sequenzielles Erzeugen von unterschiedlichen Pulsformen der Lichtpulse (20) .
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Pulsform der Lichtpulse (20) von weniger als 200 fs Dauer durch Modulation der Amplitude und/oder der Phase erzeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem die Ist- Form der Lichtpulse (20) auf eine vorgebbare Soll-Form geregelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welchem der Zeitpunkt der Aussendung von Lichtpulsen (20) kontrolliert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Lichtpulse (20) mit einer Frequenz ausgetastet werden, welche der
Resonanzfrequenz des Resonanzkörpers (11) entspricht.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei wel- ehern der Resonanzkörper (11) einen zur Aufnahme der nachzuweisenden Moleküle bestimmten Raum (18) zumindest teilweise begrenzt und die nachzuweisenden Moleküle gasförmig in diesen Raum eingebracht werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei wel- ehern das bei der Wechselwirkung des Laserlichtes mit den nachzuweisenden Molekülen entstehende Licht auf den
Resonanzkörper (11) abgebildet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt eine erste vorgeb- bare Anzahl von Lichtpulsen (20) von weniger als 200 fs
Dauer mit einer vorgebbaren ersten Pulsform mit den nachzuweisenden Molekülen wechselwirkt und in einem zweiten Verfahrensschritt eine zweite vorgebbare Anzahl von
Lichtpulsen (20) von weniger als 200 fs Dauer mit einer vorgebbaren zweiten Pulsform mit den nachzuweisenden
Molekülen wechselwirkt.
19. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die nachzuweisenden Moleküle hinter einer Behälterwandung verborgen sind, in einem ersten Verfahrensschritt mittels einer Mehrzahl von Lichtpulsen (20) von weniger als 200 fs Dauer mit einer vorgebbaren ersten Pulsform eine Öffnung in die Behälterwandung eingebracht wird, und nachfolgend zumin- dest eine zweite Mehrzahl von Lichtpulsen (20) mit einer vorgebbaren zweiten Pulsform mit den nachzuweisenden
Molekülen wechselwirkt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei welchem das Erfassen der Schwingung des Resonanzkörpers mittels eines Lock-In-Verstärkers (17) erfolgt.
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