WO2011098059A1 - Optisches bauteil - Google Patents

Optisches bauteil Download PDF

Info

Publication number
WO2011098059A1
WO2011098059A1 PCT/DE2010/001482 DE2010001482W WO2011098059A1 WO 2011098059 A1 WO2011098059 A1 WO 2011098059A1 DE 2010001482 W DE2010001482 W DE 2010001482W WO 2011098059 A1 WO2011098059 A1 WO 2011098059A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coupling
reflector
optical component
reflector element
spherical
Prior art date
Application number
PCT/DE2010/001482
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerardo José PADILLA VIQUEZ
Original Assignee
Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt filed Critical Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Priority to US13/579,154 priority Critical patent/US9140883B2/en
Publication of WO2011098059A1 publication Critical patent/WO2011098059A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/004—Systems comprising a plurality of reflections between two or more surfaces, e.g. cells, resonators
    • 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
    • G01J3/02—Details
    • 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
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • 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
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/021—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or particular reflectors
    • 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
    • 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
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/031—Multipass arrangements
    • 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
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Definitions

  • the invention relates to an optical component having (a) a first spherical reflector and (b) a second spherical reflector arranged for multiple reflection of a light beam, in particular a laser beam, between the first reflector and the second reflector.
  • the invention relates to a measuring method.
  • Such components are known from DE 1 199 401 and are used, for example, as multiple reflection cells in the timeable diode laser absorption spectroscopy (English for absorption spectroscopy with tuned-in diodes). Such multiple reflection cells are also known as Herriott cells.
  • a light beam in particular a laser beam, coupled through a small hole in one of the two reflectors and coupled through the hole again.
  • a disadvantage of such known optical components is the high expenditure on time. Another disadvantage is that measuring devices that contain known multiple reflection cells build long, whereas a compact design is preferred.
  • CONFIRMATION COPY Element has, by means of which the resonator length can be adjusted. Such devices can not be used in resonator cooldown spectroscopy because the refractive elements cause additional absorption.
  • the invention has for its object to facilitate the adjustment.
  • the invention solves the problem by an optical component according to claim 1 and a measuring method using this component.
  • An advantage of the invention is that the adjustment is significantly improved.
  • both the beam incident through the hole, in particular a laser beam, and the beam emerging after multiple reflection through the hole, in particular the laser beam must be complicatedly adjusted relative to the other components of the measuring instrument.
  • a component according to the invention only the location of the plate relative to the spherical reflectors is relevant, but not the angle of the plate. If the angle of the plate changes relative to one of the two reflectors, the reflected beam, in particular the laser beam, strikes the coupling reflector at another point, but the optical properties of the two spherical reflectors cause the beam, in particular the laser beam, again arrives exactly on the coupling reflector element.
  • a particular arrangement of the optical component also allows the use of the cell not only as a multi-reflection cell, but also for the first time as a Fabry-Perot resonator.
  • the component according to the invention can, inter alia, also use the measuring method of resonator decay time spectroscopy.
  • the coupling angle at which the beam to be coupled, in particular the laser beam, is incident relative to a longitudinal axis through the two center points of the spherical reflectors can be varied in a wide range.
  • the incident beam, in particular the laser beam can be incident at a substantially right angle relative to the longitudinal axis.
  • a reflector is understood in particular to mean any component which is designed to reflect a light beam.
  • the reflector is designed so that it has a reflectance of substantially one with respect to a wavelength of a beam to be injected, in particular of the laser beam.
  • the reflectance is substantially one, it is understood that it is such a high reflectance that it can be approximated to a good approximation as 1.
  • the reflectance is greater than 99.999%.
  • the reflectivity is thus greater than 0.99999.
  • the coupling-reflector element is disposed within an interior, which is spanned by the two spherical reflectors.
  • This interior includes all points that lie on paths that connect a point on the first reflector to a point on the other reflector.
  • the optical component comprises an adjusting device to which the coupling device is connected.
  • the adjusting device is designed at least for translational movement of the coupling-in reflector element.
  • the adjusting device can also be designed to tilt the coupling-reflector element by at least one angle.
  • the coupling-reflector element has a transmittance of less than 10 "1 , in particular less than 10 " 3rd This is to be understood as meaning the relative transmission at a laser wavelength which has the laser beam which is to be coupled into the optical component. In particular, the transmission is substantially zero.
  • the absorption by the coupling-reflector element is particularly low and is preferably below 10 third
  • the coupling-reflector element is a quasi-ideal reflector and the optical component acts like a Herriott cell, that is, as a multi-reflection cell.
  • the coupling-reflector element has a first planar surface and a second planar surface which is parallel to the first planar surface.
  • the beam in particular the laser beam
  • the incident beam, in particular the laser beam and the emitting beam, in particular the laser beam have an offset.
  • the direction given by the direction vector is very similar. This facilitates the adjustment of a measuring device in which the optical component is installed.
  • the first surface and / or the second surface are mirrored.
  • the coupling reflector element may be a glass or glass ceramic component. This component can then be provided with an example metallic reflection layer.
  • the coupling-reflector element has a transmission of more than 0.9, in particular of more than 0.999, on.
  • the beam in particular the laser beam loses only very little intensity on its way through the optical component.
  • the optical component then acts like a Fabry-Perot resonator.
  • the component according to the invention is particularly easy to adjust relative to other components of a structure in which the resonator is used.
  • a measuring device which, in addition to an optical component according to the invention, comprises a beam source for generating a beam (eg of electromagnetic radiation), wherein the beam source is arranged such that the beam impinges on the coupling reflector element.
  • the first and the second spherical reflector are designed so that they have the highest possible reflectivity at the irradiated wavelength of the beams.
  • the reflectivity is preferably more than 0.95.
  • a reflector cross section of the coupling reflector element is at least as large as a laser beam cross section of the beam, in particular of the laser beam.
  • the laser beam diameter is understood as meaning the diameter of the 4a interval, ⁇ (sigma) is the standard deviation of the distribution function which is used to describe the laser beam.
  • the coupling reflector element has a transmission of more than 0.1 and less than 0.9.
  • the transmission may be chosen such that, depending on the number of reflections of the beam in the spherical mirrors, the intensity of the transmitted beam and the intensity of the reflected beam are very similar.
  • the optical component then acts like a Michelson interferometer, the part from the beam source to the coupling-reflector element representing one arm and the part from one spherical mirror to the other spherical mirror representing the other arm.
  • the device according to the invention represents a higher sensitivity, N times higher than in known Michelson interferometers with the same arm length "L".
  • Figure 1 is a schematic view of an optical according to the invention
  • FIG. 1 shows an optical component 10 with a first spherical reflector 14, a second spherical reflector 14 and a coupling device in the form of a coupling reflector element 16.
  • the component 10 is part of a measuring device 18, which also has a schematically drawn beam source 20 in the form of a laser, and a schematically drawn analysis unit 22.
  • the laser 20 emits a light beam in the form of a laser beam 24, which strikes the coupling reflector element 16.
  • the beam 24 is substantially completely reflected by the coupling-reflector element 16, the reflected beam is denoted by 26.
  • the beam 26 is reflected back and forth by the two spherical reflectors 12 and 14 until the reflected laser beam 26 again hits the coupling reflector element 16, from where it is directed to the analysis unit 22 (beam 28).
  • the beam 28 extends in the same direction as the beam 24.
  • the coupling-reflector element 16 can be moved in a YZ plane.
  • the Z-axis extends parallel to a straight line through the two centers of the spherical reflectors 12 and 14.
  • the Y-direction and the X-direction are the plane on which this line through the two middle points is vertical.
  • the coupling-in reflector element 16 is designed as a parallel, double-sided mirror plate and has a first surface 32 and a second surface 34 running parallel to the first surface 32 (see FIG.
  • TA-HCTC Transverse Access Herriott Cell Type Property
  • the beam 26 falls exactly on the opposite side of the beam 24 to the coupling-reflector element 16th
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the component 10 according to FIG. 1. It can be seen that the beam 24 extends at a coupling-in angle ⁇ to the z-axis. To determine the coupling-in angle ⁇ , the z-axis is selected so that it intersects a longitudinal axis L of the component 10 through the two center points M1 and M2 of the bending circles of the reflectors 12 and 14.
  • the y-axis passes through the point of impact of the beam 24 on the coupling reflector element 16.
  • the coupling angle ⁇ is then the angle which the incident beam 24 encloses with the z-axis.
  • This coupling-in angle ⁇ can advantageously be chosen greater than 45 °, so that the position of the laser 20 (FIG. 1) can be freely selected. For example, may be about 90 °.
  • the coupling reflector elements 16.1, 16.2, 16.3 have a common coupling interface, which corresponds to an interface on the adjusting device 30.
  • the two coupling-in reflectors 16, 16.2 and 16.3 differ in that they have different degrees of reflection p.
  • the component 10 may be part of a resonator cooldown spectroscope.
  • the component 10 can be part of an interferometer of higher sensitivity (similar to a Michelson interferometer).
  • the component 10 is preferably used in that in the region between the two reflectors 12, 14, a gas is introduced, which interacts with the beam 24. Due to the long path the beam travels due to the multiple reflections in the component 10, the absorption is increased. By measuring the absorption, the partial pressure of a target gas in the gas between the reflectors 12, 14 can be determined. At known pressure (or partial pressure), a line thickness of a target gas in the gas between the reflectors 12, 14 can be determined.
  • the component 10 may be part of a Fourier transform spectrometer, or in another area, the component 10 may be part of a gravitational wave detector.
  • the beam 24 is preferably generated to have a substantially Gaussian-shaped intensity distribution.
  • a characteristic quantity of this Gaussian curve is the standard deviation ⁇ .
  • the coupling-in device 16 is preferably chosen to be so wide that the laser beam 24 falls on the coupling-in device 16 at least in the range from -4 ⁇ to +4 ⁇ and is reflected therefrom. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil (10) mit einem ersten sphärischen Reflektor (12) und einem zweiten sphärischen Reflektor (14), der zum mehrfachen Reflektieren eines Lichtstrahls zwischen dem ersten Reflektor (12) und dem zweiten Reflektor (14) angeordnet ist und mit dem ersten sphärischen Reflektor (12) einen Innenraum aufspannt, wobei eine Einkoppelvorrichtung vorgesehen ist, die ein innerhalb des Innenraums angeordnetes Einkoppel-Reflektorelement (16) umfasst, das zum Reflektieren eines einzukoppelnden Lichtstrahls (24) auf den ersten sphärischen Reflektor (12) angeordnet ist.

Description

Optisches Bauteil
Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil mit (a) einem ersten sphäri- sehen Reflektor und (b) einem zweiten sphärischen Reflektor, der zum mehrfachen Reflektieren eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Messverfahren.
Derartige Bauteile sind aus der DE 1 199 401 bekannt und werden beispielsweise als Mehrfachreflexionszellen in der timeable diode laser ab- sorption spectroscopy (englisch für Absorptionssepktrokospie mit durch- stimmbanren Dioden) verwendet. Derartige Mehrfachreflexionszellen sind auch als Herriott-Zellen bekannt. In diese wird ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, durch ein kleines Loch in einem der beiden Reflektoren eingekoppelt und durch das Loch auch wieder ausgekoppelt.
Nachteilig an derartigen bekannten optischen Bauteilen ist der hohe Jus- tageaufwand. Nachteilig ist zudem, dass Messgeräte, die bekannte Mehrfachreflexionszellen enthalten, lang bauen, wohingegen eine kompakte Bauweise bevorzugt wird.
Aus der DE 198 14 199 A1 ist eine Vorrichtung zur abstimmbaren Fre- quenzkonversion bekannt, die einen Ringresonator und ein brechendes
BESTÄTIGUNGSKOPIE Element aufweist, mittels dem die Resonatorlänge eingestellt werden kann. Solche Vorrichtungen sind in der Resonator-Abklingzeit-Spektroskopie nicht einsetzbar, da die brechenden Elemente eine zusätzliche Absorption bewirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Justage zu erleichtern.
Die Erfindung löst das Problem durch ein optisches Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein dieses Bauteil verwendendes Messverfahren.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Justage deutlich verbessert wird. Bei bestehenden optischen Bauteilen in Form von Multireflexionszellen muss nämlich sowohl der durch das Loch einfallende Strahl, insbesondere eines Laserstrahls, als auch der nach vielfacher Reflexion durch das Loch wieder austretende Strahl, insbesondere des Laserstrahls, relativ zu den übrigen Komponenten des Messgeräts aufwendig justiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen optischen Bauteil ist es jedoch ausreichend, die Einkoppelvorrichtung zu bewegen, um den eingekoppelten und gleichzeitig den ausgekoppelten Strahls, insbesondere des Laserstrahls, zu justieren.
Bei einem erfindungsgemäßen Bauteil ist nämlich nur der Ort der Platte relativ zu den sphärischen Reflektoren relevant, nicht aber der Winkel der Platte. Ändert sich der Winkel der Platte relativ zu einem der beiden Reflektoren, so trifft der reflektierte Strahl, insbesondere der Laserstrahl, an einer anderen Stelle auf den Einkoppel-Reflektor auf, die optischen Eigenschaften der beiden sphärischen Reflektoren führen aber dazu, dass der Strahl, insbesondere der Laserstrahl, wieder exakt auf dem Einkoppel- Reflektorelement ankommt. Eine bestimmte Anordnung des optischen Bauteils erlaubt auch die Benutzung der Zelle nicht nur als Multi- Reflexionszelle, sondern auch erstmalig als Fabry-Perot-Resonator. Damit kann das erfindungsgemäße Bauteil unter anderem auch die Messmethode der Resonator-Abklingzeit-Spektroskopie verwenden. Es ist ein Vorteil, dass der Einkoppelwinkel, unter dem der einzukoppelnde Strahl, insbesondere der Laserstrahl, relativ zu einer Längsachse durch die beiden Mittelpunkte der sphärischen Reflektoren einfällt, in einem wei- ten Bereich variiert werden kann. Beispielsweise kann der einfallende Strahl, insbesondere der Laserstrahl, unter einem im Wesentlichen rechten Winkel relativ zur Längsachse einfallen. Das erlaubt die Herstellung kompakter Messgeräte. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Reflektor insbesondere jedes Bauelement verstanden, das dazu ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl zu reflektieren. Insbesondere ist der Reflektor so ausgebildet, dass er bezüglich einer Wellenlänge eines einzukoppelnden Strahls, insbesondere des Laserstrahls, einen Reflexionsgrad von im We- sentlichen eins besitzt. Unter dem Merkmal, dass der Reflexionsgrad im Wesentlich eins beträgt, wird verstanden, dass es ein so hoher Reflexionsgrad ist, dass er in sehr guter Näherung als 1 angenähert werden kann. Beispielsweise ist der Reflexionsgrad größer als 99,999 %. Die Re- flektivität ist also größer als 0,99999.
Es ist vorteilhaft, dass das Einkoppel-Reflektorelement innerhalb eines Innenraums angeordnet ist, der durch die beiden sphärischen Reflektoren aufgespannt wird. Dieser Innenraum umfasst alle Punkte, die auf Strecken liegen, die einen Punkt auf dem ersten Reflektor mit einem Punkt auf dem anderen Reflektor verbinden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das optische Bauteil eine Justiervorrichtung, mit dem die Einkoppelvorrichtung verbunden ist. Insbesondere ist die Justiervorrichtung ausgebildet zumindest zum transla- torischen Bewegen des Einkoppel-Reflektorelements. Die Justiervorrichtung kann zudem zum Neigen des Einkoppel-Reflektorelements um zumindest einen Winkel ausgebildet sein. Vorzugsweise hat das Einkoppel-Reflektorelement einen Transmissionsgrad von weniger als 10"1, insbesondere weniger als 10"3. Hierunter ist die relative Transmission bei einer Laser-Wellenlänge zu verstehen, die der Laserstrahl hat, der in das optische Bauteil einzukoppeln ist. Insbesondere ist die Transmission im Wesentlichen null. Vorzugsweise ist auch die Absorption durch das Einkoppel-Reflektorelement besonders gering und liegt vorzugsweise unterhalb von 10 3. In diesem Fall ist das Einkoppel- Reflektorelement ein quasi-idealer Reflektor und das optische Bauteil wirkt wie eine Herriott-Zelle, das heißt als Multireflexionszelle.
Vorzugsweise besitzt das Einkoppel-Reflektorelement eine erste plane Oberfläche und eine zweite plane Oberfläche, die parallel zur ersten planen Oberfläche verläuft. Unter dieser Voraussetzung verlässt der Strahl, insbesondere der Laserstrahl, das optische Bauelement in der gleichen Richtung wie der eingefallene Strahl, insbesondere Laserstrahl eingetreten ist. Gegebenenfalls haben der einfallende Strahl, insbesondere der Laserstrahl und der ausstrahlende Strahl, insbesondere der Laserstrahl, einen Versatz. Die Richtung, die durch den Richtungsvektor gegeben ist, ist je- doch in sehr guter Näherung gleich. Das erleichtert die Justage eines Messgeräts, in dem das optische Bauteil verbaut ist.
Vorzugsweise sind die erste Oberfläche und/oder die zweite Oberfläche verspiegelt. Bei dem Einkoppel-Reflektorelement kann es sich um ein Glas- oder Glaskeramik-Bauteil handeln. Dieses Bauteil kann dann mit einer beispielsweise metallischen Reflexionsschicht versehen sein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist das Einkoppel-Reflektorelement eine Transmission von mehr als 0,9, insbesondere von mehr als 0,999, auf. In diesem Fall verliert der Strahl, insbesondere der Laserstrahl, bei seinem Weg durch das optische Bauteil nur sehr wenig an Intensität. Das optische Bauteil wirkt dann wie ein Fabry-Perot-Resonator. Anders als bei bekannten Fabry-Perot-Resonatoren ist das erfindungsgemäße Bauteil besonders leicht relativ zu anderen Komponenten eines Aufbaus zu justieren, in dem der Resonator eingesetzt ist. Erfindungsgemäß ist auch ein Messgerät, das neben einem erfindungsgemäß optischen Bauteil eine Strahlquelle zum Erzeugen eines Strahls (z.B. von elektromagnetischer Strahlung) umfasst, wobei die Strahlquelle so angeordnet ist, dass der Strahl auf das Einkoppel-Reflektorelement trifft.
Insbesondere sind der erste und der zweite sphärische Reflektor so ausgebildet, dass sie bei den eingestrahlten Wellenlänge der Strahlen eine möglichst hohe Reflektivität besitzen. Vorzugsweise beträgt die Reflektivi- tät mehr als 0,95.
Bevorzugt ist ein Reflektor-Querschnitt des Einkoppel-Reflektorelements mindestens so groß wie ein Laserstrahl-Querschnitt des Strahls, insbesondere des Laserstrahls. Unter dem Laserstrahl-Durchmesser wird der Durchmesser des 4a-lntervalls verstanden, σ (sigma) ist die Standardab- weichung der Verteilungsfunktion, die zum Beschreiben des Laserstrahls dient.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Einkoppel-Reflektor-Element eines Transmission von mehr als 0,1 und weniger als 0,9 auf. Insbesondere kann die Transmission so gewählt werden, dass, in Abhängigkeit mit der Zahl von Reflexionen des Strahls in den sphärischen Spiegeln, die Intensität des transmittierten Strahls und die Intensität des reflektierten Strahls sehr ähnlich sind. Das optische Bauteil wirkt dann wie ein Michelson- Interferometer, wobei der Teil von der Strahlquelle bis Einkoppel- Reflektor-Element einen Arm und der Teil von einem sphärischen Spiegel zum anderen sphärischen Spiegel den anderen Arm darstellt. Wenn der Strahl„N" mal den Abstand„L" zwischen beiden sphärischen Spiegeln (für eine erlaubte Herriott-Zelle Konfiguration) durchquert, stellt das erfindungsgemäße Bauteil eine höhere Sensitivität dar, N-Mal höher als bei bekannten Michelson-Interferometern mit derselben Arm-Länge„L".
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen
Bauteils in einem schematisch eingezeichneten erfindungsgemäßen optischen Messgerät und
Figur 2 eine schematische Schnittansicht des Bauteils gemäß Figur 1. Figur 1 zeigt ein optisches Bauteil 10 mit einem ersten sphärischen Reflektor ^, einem zweiten sphärischen Reflektor 14 und einer Einkoppelvorrichtung in Form eines Einkoppel-Reflektorelements 16.
Das Bauteil 10 ist Teil eines Messgeräts 18, das zudem eine schematisch eingezeichnete Strahlquelle 20 in Form eines Lasers, und eine schematisch eingezeichnete Analyseeinheit 22 aufweist. Der Laser 20 sendet einen Lichtstrahl in Form eines Laserstrahls 24 aus, der auf das Einkoppel- Reflektorelement 16 trifft. Der Strahl 24 wird im Wesentlichen vollständig vom Einkoppel- Reflektorelement 16 reflektiert, der reflektierte Strahl ist mit 26 bezeichnet. Der Strahl 26 wird von den beiden sphärischen Reflektoren 12 und 14 hin- und herreflektiert, bis der reflektierte Laserstrahl 26 erneut auf das Ein- koppel-Reflektorelement 16 trifft, von wo er auf die Analyseeinheit 22 ge- leitet wird (Strahl 28). Der Strahl 28 verläuft in die gleiche Richtung wie der Strahl 24.
Über eine schematisch eingezeichnete Justiervorrichtung 30 kann das Einkoppel-Reflektorelement 16 in einer Y-Z Ebene bewegt werden. Die Z- Achse erstreckt sich dabei parallel zu einer Geraden durch die beiden Mittelpunkte der sphärischen Reflektoren 12 und 14. Die Y-Richtung und die X-Richtung sind die Ebene, auf der diese Linie durch die beiden Mittel- punkte senkrecht steht.
Das Einkoppel-Reflektorelement 16 ist als parallele, doppelseitige Spiegelplatte ausgebildet und besitzt eine erste Oberfläche 32 und eine paral- lel zur ersten Oberfläche 32 verlaufende zweite Oberfläche 34 (vgl. Figur 2).
Aufgrund der Möglichkeit, den Strahl 24 von der Seite in das Bauteil 10 einzukoppeln, kann der Begriff Transversal Access Herriott Cell Type Ca- vity (TA-HCTC) verwendet werden.
Wegen der Autokorrektur des Strahlverlaufs durch die beiden sphärischen Reflektoren 12, 14, fällt der Strahl 26 genau auf der entgegengesetzten Seite des Strahls 24 auf das Einkoppel-Reflektorelement 16.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des Bauteils 10 gemäß Figur 1. Es ist zu erkennen, dass der Strahl 24 unter einem Einkoppelwinkel α zur z-Achse verläuft. Zur Bestimmung des Einkoppelwinkels α wird die z- Achse so gewählt, dass sie eine Längsachse L des Bauteils 10 durch die beiden Mittelpunkte M1 und M2 der Krümmungskreise der Reflektoren 12 und 14 schneidet.
Die y-Achse verläuft durch den Auftreffpunkt des Strahls 24 auf dem Einkoppel-Reflektorelement 16. Der Einkoppel-Winkel α ist dann der Winkel, den der einfallende Strahl 24 mit der z-Achse einschließt. Dieser Einkoppel-Winkel α kann vorteilhafterweise größer als 45° gewählt werden, so dass die Position des Lasers 20 (Figur 1 ) frei gewählt werden kann. Beispielsweise kann ungefähr 90° betragen. Es ist möglich, dass das Bauteil 10 ein erstes Einkoppel-Reflektorelement 16 ( = 16.1), ein zweites Einkoppel-Reflektorelement 16.2, und ein drittes Einkoppel-Reflektorelement 16.3 aufweist, die gegeneinander ausgetauscht werden können. Beispielsweise haben die Einkoppel-Reflektor- elemente 16.1 , 16.2, 16.3 eine gemeinsame Koppelschnittstelle, die zu einer Schnittstelle an der Justiervorrichtung 30 korrespondiert. Dabei un- terscheiden sich die beiden Einkoppel-Reflektoren 16., 16.2 und 16.3 dadurch, dass sie unterschiedliche Reflexionsgrade p besitzt. Beim Reflexionsgrad p = 1 ergibt sich eine Herriott-Zelle. Bei einem Reflexionsgrad, der sehr klein ist, beispielsweise kleiner als p = 10~2, kann das Bauteil 10 Bestandteil eines Resonator-Abklingzeit-Spektroskops sein. Beim Refle- xionsgrad 10"2 < p < 1 kann das Bauteil 10 Bestandteil eines Interferome- ters höherer Sensitivität (ähnlich zu einem Michelson-Interferometer) sein.
Das Bauteil 10 wird vorzugsweise dadurch verwendet, dass in den Bereich zwischen die beiden Reflektoren 12, 14 ein Gas eingeleitet wird, das mit dem Strahl 24 wechselwirkt. Durch den langen Weg, den der Strahl aufgrund der Vielfachreflexionen im Bauteil 10 zurücklegt, ist die Absorption erhöht. Durch Messen der Absorption kann der Partialdruck eines Ziel- Gases im Gas zwischen den Reflektoren 12, 14 bestimmt werden. Bei bekanntem Druck (bzw. Partialdruck) kann eine Linienstärke eines Ziel- Gases im Gas zwischen den Reflektoren 12, 14 bestimmt werden. Es gibt viele andere mögliche Anwendungen der Erfindung; zum Beispiel als Inter- ferometer kann das Bauteil 10 Bestandteil eines Fourier-Transform- Spektrometers sein, oder in einem anderen Bereich kann das Bauteil 10 Bestandteil eines Gravitations-Wellen-Detektors sein.
Der Strahl 24 wird vorzugsweise so erzeugt, dass er eine im Wesentlichen gaußkurvenförmige Intensitätsverteilung aufweist. Eine charakteristische Größe dieser Gaußkurve ist die Standardabweichung σ. Die Einkoppelvorrichtung 16 ist vorzugsweise so breit gewählt, dass der Laserstrahl 24 zu- mindest im Bereich von -4σ bis +4 σ auf die Einkoppelvorrichtung 16 fällt und von dort reflektiert wird. Bezugszeichenliste
10 Bauteil
12 Reflektor
14 Reflektor
16 Einkoppelreflektor
18 Messgerät
20 Strahlungsquelle 22 Analyseeinheit
24 Lichtstrahl
26 Lichtstrahl
28 Lichtstrahl
30 Justiervorrichtung 32 erste Oberfläche 34 zweite Oberfläche
α Einkoppelwinkel
L Längsachse
M Mittelpunkte σ Standardabweichung

Claims

Patentansprüche:
Optisches Bauteil (10) mit
(a) einem ersten sphärischen Reflektor (12) und
(b) einem zweiten sphärischen Reflektor (14),
der zum mehrfachen Reflektieren eines Lichtstrahls zwischen dem ersten Reflektor (12) und dem zweiten Reflektor (14) angeordnet ist und
mit dem ersten sphärischen Reflektor (12) einen Innenraum aufspannt,
gekennzeichnet durch
(c) eine Einkoppelvorrichtung, die ein innerhalb des Innenraums angeordnetes Einkoppel-Reflektorelement (16) umfasst, das zum Reflektieren eines einzukoppelnden Lichtstrahls (24) auf den ersten sphärischen Reflektor (12) angeordnet ist.
2. Optisches Bauteil (10) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Justiervorrichtung, die mit der Einkoppelvorrichtung verbunden ist.
Optisches Bauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dz durch gekennzeichnet, dass das Einkoppel-Reflektorelement (16) e ne Transmission von weniger als 10~2 hat.
Optisches Bauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppel-Reflektorelement (16) eine erste plane Oberfläche (32) und
eine zweite plane Oberfläche (34),
die parallel zur ersten Oberfläche (32) verläuft,
aufweist.
5. Optisches Bauteil (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oberfläche (32) und die zweite Oberfläche (34) verspiegelt sind.
6. Optisches Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppel-Reflektorelement (16) eine Transmission von mehr als 0,9 hat.
7. Messgerät (18), gekennzeichnet durch
ein optisches Bauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche und
eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls wobei die Lichtquelle (20) so angeordnet ist, dass der Lichtstrahl (24) auf das Einkoppel-Reflektorelement (16) trifft.
8. Messgerät (18) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppel-Reflektorelement (16) einen Reflektor-Querschnitt aufweist, der mindestens so groß ist wie ein Strahl-Querschnitt des Lichtstrahls (24).
9. Messgerät (18) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Spektroskop ist.
10. Messverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass
ein optisches Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet wird,
ein Lichtstrahl mittels des Einkoppel-Reflektorelements (16) auf den ersten sphärischen Reflektor (12) reflektiert wird und ein Lichtstrahl vom Einkoppel-Reflektorelement (16) aus dem optischen Bauteil ausgekoppelt wird.
PCT/DE2010/001482 2010-02-15 2010-12-15 Optisches bauteil WO2011098059A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/579,154 US9140883B2 (en) 2010-02-15 2010-12-15 Optical component

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010008091.8 2010-02-15
DE102010008091.8A DE102010008091B4 (de) 2010-02-15 2010-02-15 Optisches Bauteil, Messgerät und Messverfahren

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011098059A1 true WO2011098059A1 (de) 2011-08-18

Family

ID=43795095

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2010/001482 WO2011098059A1 (de) 2010-02-15 2010-12-15 Optisches bauteil

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9140883B2 (de)
CR (1) CR20120426A (de)
DE (1) DE102010008091B4 (de)
WO (1) WO2011098059A1 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2995687B1 (fr) * 2012-09-20 2015-03-13 Commissariat Energie Atomique Detecteur optique d'un gaz
DE102014104043B4 (de) * 2014-03-24 2016-06-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Multireflexionszellenanordnung
US10184883B2 (en) * 2016-11-17 2019-01-22 Lawrence Livermore National Security, Llc Detecting isotopologues of carbon dioxide in the atmosphere in concomitance of water or methane
WO2019087201A1 (en) * 2017-11-06 2019-05-09 Technology Innovation Momentum Fund (Israel) Limited Partnership Interferometer system and application thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1199401B (de) 1963-09-16 1965-08-26 Western Electric Co Optischer Verstaerker
DE1281067B (de) * 1965-03-31 1968-10-24 Western Electric Co Optischer Resonator
DE19814199A1 (de) 1998-03-25 1999-10-07 Las Laser Analytical Systems G Verfahren und Vorrichtung zur abstimmbaren Frequenzkonversion
DE102006047257A1 (de) * 2006-10-06 2008-04-10 Carl Zeiss Laser Optics Gmbh Optisches Verzögerungsmodul zum Verlängern des Laufweges eines Lichtstrahls, Pulsvervielfachungs- oder Streckungsmodul sowie Laserkristallisationssystem

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6928001B2 (en) * 2000-12-07 2005-08-09 Saifun Semiconductors Ltd. Programming and erasing methods for a non-volatile memory cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1199401B (de) 1963-09-16 1965-08-26 Western Electric Co Optischer Verstaerker
DE1281067B (de) * 1965-03-31 1968-10-24 Western Electric Co Optischer Resonator
DE19814199A1 (de) 1998-03-25 1999-10-07 Las Laser Analytical Systems G Verfahren und Vorrichtung zur abstimmbaren Frequenzkonversion
DE102006047257A1 (de) * 2006-10-06 2008-04-10 Carl Zeiss Laser Optics Gmbh Optisches Verzögerungsmodul zum Verlängern des Laufweges eines Lichtstrahls, Pulsvervielfachungs- oder Streckungsmodul sowie Laserkristallisationssystem

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PADILLA-VIQUEZ G J ET AL: "Traceable CO2-R(12) line intensity for laser-spectroscopy-based gas analysis near 2 [mu]m", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT IEEE USA, vol. 56, no. 2, April 2007 (2007-04-01), pages 5 PP., XP002631556, ISSN: 0018-9456 *

Also Published As

Publication number Publication date
CR20120426A (es) 2012-12-27
US9140883B2 (en) 2015-09-22
DE102010008091A1 (de) 2011-09-08
US20130050704A1 (en) 2013-02-28
DE102010008091B4 (de) 2021-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2550128B1 (de) Vorrichtung zur beaufschlagung mit laserstrahlung
DE19611290C2 (de) Gassensor
EP2130026B1 (de) Photoakustische multipass-zelle mit konzentrierenden reflexionsmitteln
DE102016214887A1 (de) Faseroptischer Sensor sowie Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung
WO2011098059A1 (de) Optisches bauteil
DE102009009366A1 (de) Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung
DE102013219830B4 (de) Optische Vorrichtung zur Reflexionsmessung unter diffuser Beleuchtung und Verfahren zum Optimieren einer solchen, sowie Verwendung der Vorrichtung
DE102005010557A1 (de) Optischer Multiplexer/Demultiplexer
DE102006042642B4 (de) Terahertz Time-Domain Spektrometer
DE102014220282A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur mehrfachreflektion von lichtstrahlen durch einen gemeinsamen brennpunkt
DE102006037470A1 (de) Plankonvexe Substratlinse
DE102015213147B4 (de) Verfahren zur Bestimmung und Messkopf zur Erfassung einer Oberflächeneigenschaft genau einer Seite einer lichtdurchlässigen Probe
DE102008050258A1 (de) Optische Sonde (I)
DE4343345A1 (de) Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der reflektiven bzw. transmittierenden optischen Eigenschaften einer Probe
DE10031636A1 (de) Spektrometer
DE102015205699B4 (de) Spektrometer mit Monomodewellenleiter
DE4116431A1 (de) Optische messeinrichtung und verfahren zum betreiben der optischen messeinrichtung
DE102016102431B3 (de) Langwegzelle
DE102022110651B4 (de) Kompaktes optisches Spektrometer
DE19832647C1 (de) Verfahren zur Erzeugung Gaußscher Intensitätsverteilungen im Strahlprofil einer durch Frequenzverdopplung erzeugten Strahlung
WO2003029879A1 (de) Anordnung zur verminderung der kohärenz eines kohärenten strahlenbündels
EP4155784A1 (de) Vorsatzoptik-einrichtung zur verringerung der interferenzstreifen in einem laserspektroskopiesystem
EP1438628B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur verminderung von speckle in einem optischen system
DE10238078C1 (de) Verfahren und Anordnung zur orts- und winkelaufgelösten Reflexionsmessung
DE102016211748A1 (de) Chromatisch-konfokale Messanordnung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10808979

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: CR2012-000426

Country of ref document: CR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13579154

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10808979

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1