WO2019057884A1 - Verfahren und vorrichtung zum untersuchen eines materialgemisches - Google Patents

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WO2019057884A1
WO2019057884A1 PCT/EP2018/075589 EP2018075589W WO2019057884A1 WO 2019057884 A1 WO2019057884 A1 WO 2019057884A1 EP 2018075589 W EP2018075589 W EP 2018075589W WO 2019057884 A1 WO2019057884 A1 WO 2019057884A1
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electromagnetic radiation
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refractive index
radiation source
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Mathieu RAYER
Matthias Sperl
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Osram Gmbh
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    • G01N2021/1731—Temperature modulation
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    • G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/121—Correction signals
    • G01N2201/1218—Correction signals for pressure variations

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for examining a material mixture.
  • a gas sensor is a device for detecting gaseous substances, wherein the concentration of the gaseous substance in the ambient air in the immediate vicinity of the gas sensor is detected and converted into an electrical signal.
  • a conventional gas sensor is based, inter alia, on the photoacoustic feedback of a gas to be detected, an absorption spectroscopy or a disturbance of an evanescent field.
  • the conventional methods are usually based on chemical reactions, absorption in the mid-infrared range and / or the devices have moving parts, for example a so-called
  • a method and an apparatus are provided with which it is possible to investigate a mixture of materials, for example a
  • the method has at least a partial filling of a chamber with the material mixture.
  • the material mixture has a refractive index and has a predetermined material.
  • the method further comprises irradiating the
  • Material mixture in the chamber with an electromagnetic radiation having at least one predetermined wavelength by means of a radiation source is arranged such that the predetermined material is the sole or substantially the only material of the
  • Material mixture is that absorbs the electromagnetic radiation of the given wavelength.
  • the method further comprises a direct or indirect end of measurement
  • Refractive index of the material mixture by means of a measuring device.
  • Examining is, for example, detecting a
  • Material mixture for example, as required for measurements based on the refractive index in the device is not necessarily moving parts or chemical reactions.
  • a conventional absorption spectrometer for detecting a proportion of a given material in a mixture of materials is based on the measurement of an absorption-related
  • An indirect quantity is, for example, the optical path length of an electromagnetic radiation in an optical path
  • the change of the optical path length by the irradiation of the material mixture may cause the position of a beam guided in a waveguide to become electromagnetic
  • changing the optical path length by irradiating the material mixture may change the intensity of a beam
  • Refractive index change is changed an interference condition in an optical cavity.
  • Measuring the indirectly dependent quantity is called indirect measurement. For example, measuring an optical path length of an electromagnetic radiation of a predetermined wavelength in a waveguide is an indirect measurement of the refractive index of the waveguide, since the
  • Wavelength of the electromagnetic radiation is not changed.
  • the measurement of the refractive index of the material mixture by means of the measuring device can during the irradiation and / or after stopping the irradiation of the material mixture with the electromagnetic radiation with the predetermined
  • the material mixture has a different refractive index at the second temperature than at the first temperature.
  • the difference between the first temperature and the second temperature, for example the change in temperature of the material mixture, and thus the change in the refractive index of the material mixture are, inter alia, functionally dependent on the proportion of
  • measuring the refractive index can be the measurement of the temporal
  • the history is a time series of refractive index values.
  • Refractive index can be measured as a complex size, for example, as real and imaginary part by means of a heatplasmonenresonanzspektroskopie.
  • the temperature changes to a third temperature, which is lower than the second temperature.
  • the third temperature may be approximately equal to the first temperature.
  • the refractive index of the material mixture can be measured during a heating and / or cooling cycle.
  • the refractive index can be determined from a plurality of measurements, for example a plurality of heating and / or cooling cycles, for example as a mean course of the
  • Refractive index of the material mixture during or after the irradiation When measuring the refractive index of a material with a conventional refractometer becomes such
  • Refractive index change rejected by absorption as a transient process of the measuring device is a refractive index change rejected by absorption as a transient process of the measuring device.
  • Material mixture has set a thermal equilibrium.
  • the method also has
  • the reference value is, for example, a previously measured value of the material mixture, a measured value of the empty chamber, a reference chamber with a material mixture which is free of the predetermined material and / or an electronically stored value.
  • Concentration range of about 50 ppm to 5000 ppm or more are detected.
  • an apparatus for inspecting a material mixture has a radiation source for inspecting a material mixture.
  • the device has a radiation source for inspecting a material mixture.
  • Emitting an electromagnetic radiation having at least one predetermined wavelength is set up.
  • Device further comprises a chamber with the
  • the material mixture on.
  • the material mixture has a
  • the material mixture further comprises a predetermined material.
  • the radiation source is set up in such a way that the predefined material is the only or essentially the only material of the material mixture which transmits the electromagnetic radiation of the given material
  • the device further comprises a measuring device for measuring the refractive index of
  • the device is based on the feedback of a predetermined material to be detected, for example a gas, onto an optical, electromagnetic wave.
  • a predetermined material to be detected for example a gas
  • an optical, electromagnetic wave The absorption of the electromagnetic wave by the device
  • the refractive index change can be detected, for example, by means of an interferometric measuring device.
  • the interferometric measurement Device is, for example, a Mach-Zehnder interferometer.
  • the interferometric measuring device is based on a so-called refractive index-based optical "chirped grating"
  • the sensitivity or the sensitivity of the device is independent of the volume of the sample chamber.
  • the device can be reduced in size. This allows a compact and / or easily scalable device to be provided.
  • the device can be an improved
  • the reliability of the device for example, with respect to a minimum, detectable concentration of the given material in the material mixture can be increased.
  • the reliability of the device for example, with respect to a minimum, detectable concentration of the given material in the material mixture can be increased.
  • Measuring device less prone to temperature fluctuations than conventional absorption spectrometer.
  • conventional absorption spectrometers are operated in the mid-infrared region (MIR), whereas the measurement device can be operated in the near-infrared region (NIR).
  • MIR mid-infrared region
  • NIR near-infrared region
  • the device has a
  • Evaluation unit for detecting a change in the measured refractive index of the material mixture.
  • Behavior such as a change in concentration, a given material in the material mixture to be examined.
  • Chamber is absorbable. In other words: the
  • Electromagnetic radiation of the predetermined wavelength also reaches the given material.
  • the radiation source is a laser or a laser diode. This allows a better tuning of the given wavelength
  • the device further comprises an optical filter which is permeable to
  • Electromagnetic radiation of the predetermined wavelength is set up and is set up, the transmission of electromagnetic radiation of at least one other
  • Wavelength reduced or blocked allows a single radiation source to be used for the device, which can selectively provide electromagnetic radiation of different, predetermined wavelengths for different given materials.
  • the radiation source has a plurality of different laser diodes or a radiation source which emits electromagnetic radiation having a plurality of wavelength regions or bands spaced apart from one another.
  • the given material of the material mixture is one of the following materials: oxygen, carbon dioxide, nitrogen oxide, nitrogen dioxide.
  • the material mixture is gaseous and the material mixture corresponds to an ambient air of the measuring device.
  • the chamber is adapted to receive the ambient air and to hold for the duration of the measurements.
  • the chamber is set up so that the Material mixture or the gas mixture in the chamber can be changed when the ambient air in their
  • the chamber has an inlet and / or outlet and a pump to evacuate the chamber.
  • the material mixture is gaseous and the chamber has a pressure sensor which is adapted to the pressure of the gaseous material mixture in the
  • the material mixture is liquid and the material mixture is adsorbed on a surface of the chamber and the measuring device is for measuring a refractive index of the adsorbed material mixture
  • the measuring device is based on a surface plasmon resonance spectrometer.
  • the measuring device and / or the chamber has a corresponding sample holder to the liquid
  • the chamber also has an optical cavity, which in relation to the
  • Radiation source is formed in the chamber, that the electromagnetic radiation with the predetermined wavelength satisfies a resonance condition of the optical cavity and passes into the optical cavity.
  • the optical cavity is for example a Fabry-Perot cavity.
  • the material mixture can be located in the optical cavity.
  • electromagnetic radiation in the chamber can be increased in a simple manner.
  • a local optical radiation density in the material mixture can be increased, for example by more than 100 times.
  • the beam passes the electromagnetic Radiation a portion of the material mixture several times and each time the beam passes through the area, a portion of the beam of electromagnetic radiation from the
  • Sample chamber can be reduced. This allows a compact and / or easily scalable device to be provided. Alternatively or additionally, this may be the sensitivity of the device with respect to the minimum
  • detectable concentration can be increased.
  • the measuring device has a further radiation source, which is set up to emit a further (second) electromagnetic radiation, the refractive index being detected, determined or determined based on the further electromagnetic radiation.
  • the further electromagnetic radiation may be different from the (first) electromagnetic radiation having the predetermined wavelength.
  • Electromagnetic radiation can run in such a way to each other in the chamber, that the measuring device detects only the second electromagnetic radiation.
  • Electromagnetic radiation may have a multichromic spectrum, for example a white light source.
  • the refractive index of several wavelengths can be used for the detection of the refractive index or its change
  • Irradiation be detected by the further radiation source. This makes it possible, for example, to detect the change in the concentration of the given material by means of a plurality of data points (different wavelengths).
  • the reliability of the measurement can be increased, the measurement time can be shortened and / or the sample volume can be reduced.
  • the excitation of the given material for example for the heating of the material mixture and for the measurement of the refractive index the material mixture electromagnetic radiation can be used with mutually different wavelengths.
  • the measuring device has an optical resonator, the position-dependent different natural frequencies for a given electromagnetic
  • the measuring device is or is based on one of the following devices: a
  • a Mach-Zehnder interferometer as an interferometer, the dimension of the sample chamber, such as the length and volume of the sample chamber, can be reduced. This is possible since the detection method based on the device is very sensitive, for example has a low detection threshold, that is already low
  • a measuring device based on an ellipsometer for example, by determining the Brewster angle, a high sensitivity to the refractive index of the
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device according to various embodiments
  • Figure 2 is a schematic view of an apparatus according to various embodiments
  • Figure 3 is a schematic view of an apparatus according to various embodiments
  • Figure 4 is a schematic view of an apparatus according to various embodiments.
  • FIG. 5 is a flowchart of a method according to FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device according to various embodiments.
  • a device 100 is provided by means of which a mixture of materials 110 can be examined.
  • the material mixture 110 has a predetermined material.
  • the given material is the sole or essentially the only material of the
  • Material mixture 110 which can absorb an electromagnetic radiation 104 of a predetermined wavelength.
  • the selective absorption of the electromagnetic radiation 104 by the given material leads to a heating of the material mixture 110
  • Material mix 110 change some physical
  • the refractive index of the material mixture 110 for example, the refractive index of the material mixture 110.
  • the refractive index n and the temperature-dependent change in the refractive index dn / dT of the material mixture 110 are dependent on the
  • Wavelength of the electromagnetic radiation and / or of the concentration or the proportion of the predetermined material in the material mixture 110 By the irradiation of the
  • Material mixture 110 with the electromagnetic radiation 104 can thus be a conclusion on the content or the
  • the basis for the selective absorption is that the electromagnetic radiation energetically excites atomic states or molecular states of the given material.
  • Transitions between energy levels of an atom or molecule correspond to energies associated with a wavelength of the exciting electromagnetic radiation. In other words, certain transitions between energy levels can only be determined with electromagnetic radiation
  • Material mixture only a few, possible materials contained in the material mixture.
  • the basic components of ambient air are known or can be estimated independently of location.
  • the realistically possible materials contained in the material mixture have, in part, transitions between energy levels that are not further material in the material
  • Material of the material mixture is, with respect to this transition and to stimulate this transition in
  • Refractive index of the material mixture 110 it can be concluded that the concentration of the selectively absorbing material in the material mixture and / or a change in the concentration of the selectively absorbing material in the material mixture. For example, this is done by
  • Comparison with a reference value for example a
  • the device 100 has a radiation source 102.
  • the radiation source is set up to emit an electromagnetic radiation 104 having at least one predetermined wavelength.
  • the radiation source 102 is set up such that a given material is the sole or essentially the only material of a material mixture 110 which absorbs the electromagnetic radiation 104 of the predetermined wavelength.
  • the radiation source 102 may be, for example, a laser or a laser diode. Alternatively or additionally, the radiation source 102 can be set up, a
  • the device may comprise an optical filter, for example in the
  • the optical filter is arranged permeable to electromagnetic radiation of the predetermined wavelength and is set up, the
  • the radiation source 102 is configured to emit electromagnetic radiation having a wavelength in a range of about 200 nm to about 20 ⁇ m.
  • the electromagnetic radiation 104 may include or be visible light, infrared (IR) radiation and / or ultraviolet (UV) radiation.
  • the device has a chamber 106 with a predetermined material mixture 110.
  • the chamber 106 is optically coupled to the radiation source 102 such that the electromagnetic radiation 104 having the at least one predetermined wavelength of the material mixture 110 in the chamber 106 is absorbable.
  • the chamber 106 may include one or more windows 108 through which electromagnetic radiation from a
  • Radiation source which is located outside the chamber 106, enter the material mixture 110. Additionally or alternatively, a window 108 may be provided so that electromagnetic radiation may pass from the material mixture to a measuring structure of a measuring device 112, for example to a photodiode.
  • the window 108 is / are permeable to the respective electromagnetic radiation.
  • a gas-tight chamber can be realized.
  • the material mixture 110 has a refractive index.
  • the refractive index can be different for different wavelengths
  • the refractive index of the Material mixture results from the relative proportions of the components of the material mixture 110 and their respective refractive index.
  • the material mixture 110 has a predetermined material. In other words, the material mixture 110 has at least the predetermined material and another material that is different from the given material.
  • predetermined material of the material mixture 110 is
  • oxygen for example, oxygen, carbon dioxide, nitrogen oxide, nitrogen dioxide.
  • the material mixture 110 is in different
  • the chamber 106 is adapted to receive and hold a gas mixture, for example airtight.
  • the material mixture 110 may, for example, correspond to an ambient air of the measuring device 112.
  • the apparatus 100, and in particular the chamber 106 may be configured to statically hold the gaseous mixture of materials 110 in the chamber 106.
  • the chamber 106 may have an access and / or an exit, by means of which or by means of which the composition of the gas or of the material mixture 110 in the chamber 106 can be changed over time.
  • the chamber 106 may include a pressure sensor.
  • the pressure sensor is set up to detect the pressure of the gaseous material mixture 110 in the chamber 106.
  • the changes in pressure in the chamber 106 may be due to a temperature change of the material mixture in the chamber 106 due to a chemical reaction of the material mixture that results in gas formation; outgassing a solid or liquid material mixture; a filling or evacuation of the chamber 106 with or of material mixture 110 by means of an access or by means of a departure of the chamber 106.
  • the refractive index of the material mixture or the predetermined Material is in a closed chamber 106 depending on their density, wherein the density is in turn dependent on the pressure in the chamber 106.
  • the device 100 further comprises a measuring device 112.
  • the measuring device 112 is set up to measure a refractive index of the material mixture 110. The measured
  • Refractive index is, for example, the refractive index at a given wavelengths, for example the
  • predetermined wavelength of the electromagnetic radiation 104 which is emitted from the radiation source 102.
  • the measured refractive index is a plurality of refractive index values or a
  • Refractive index profile for a wavelength range of electromagnetic radiation, for example in the case of a wavelength-tunable further radiation source (see, for example, FIG.3 and FIG.4).
  • the device 100 is configured such that the distance between the two electrodes.
  • a photodiode of the measuring device is smaller than the coherence length of the electromagnetic radiation 104 with the predetermined wavelength.
  • the measuring device 112 is for measuring a refractive index of the measuring device 112
  • Material mixture 110 formed substantially outside of the chamber 106.
  • the device 100 furthermore has an evaluation unit 114.
  • Evaluation unit 114 is for detecting a change of measured refractive index of the material mixture 110th
  • FIG. 2 shows a schematic view of a device according to various embodiments.
  • the exemplary embodiment of a device 200 illustrated schematically in FIG. 2 may essentially be one above
  • multiphase material mixture is for example a
  • a coating comprising a volatile material that is outgassed from the coating.
  • the material mixture 110 may be liquid. Accordingly, the chamber 106 for receiving and
  • the material mixture 110 may be adsorbed on a surface of the chamber 106, such as a surface of a sample holder 202.
  • the sample holder 202 may be, for example, a prism or a waveguide structure.
  • a surface of the sample holder 202, on or above which the material mixture 110 is arranged, may be coated with a metal layer or a metal alloy in order to use the
  • the measuring device 112 may be configured to measure a refractive index of the adsorbed material mixture 110 in this example.
  • the measuring device is based on a
  • SPR Surface plasmon resonance spectrometer
  • Material mixture 110 encloses, as shown in FIG. 2, is optional.
  • the chamber 106 is in According to various embodiments, a sample holder, wherein non-gaseous material mixtures, an enclosure of the material mixture 110 through the chamber is not necessarily required.
  • the material mixture may, for example, depending on the pressure in the chamber 106, in a liquid, solid and / or gaseous state.
  • the given material may be a volatile solvent
  • the chamber 106 has an optical cavity 302.
  • the optical cavity 302 is formed in the chamber 106 with respect to the radiation source 102 such that the electromagnetic radiation 104 having the predetermined wavelength satisfies and passes a resonance condition of the optical cavity 302, as in FIG.
  • FIG.3 is illustrated. As a result, the intensity of the electromagnetic radiation 104 in the material mixture 110 can be increased in a simple manner.
  • the further radiation source 304 is set up to emit a further electromagnetic radiation.
  • the further electromagnetic radiation can
  • the further radiation source may be, for example, a laser or a laser diode.
  • the refractive index can be based on the other
  • the measuring device 112 has a photodiode 306.
  • the photodiode 306 may have an intensity and / or a running time
  • the measuring device 112 has an optical resonator 308,
  • the optical resonator 308 is formed as a so-called chirped grating.
  • the optical resonator 308 has on a substrate (see schematic side view 320) on or in a substrate first region 312 and second regions 314 (see schematic top view 310).
  • the first region 312 and the second region 314 are formed in the shape of a serrated or finger-shaped interdigitator. This will always depend on the y-position, in x-direction
  • the optical resonator 308 thus has y-position-dependent different
  • the mixture of materials 110 which may be liquid and / or gaseous, is in physical contact with the optical resonator 308.
  • Electromagnetic radiation having the predetermined wavelength of the given material results in a change of the resonance condition of the optical resonator 308. Thereby, depending on the temperature, the Y position of electromagnetic radiation in the optical resonator 308 changes. The y position of one in which optical resonator 308
  • Material mixture 110 with the electromagnetic radiation of the predetermined wavelength allows a conclusion on the concentration of the given material in the
  • the y-position of the electromagnetic radiation guided in the optical resonator 308 can be detected by means of a photodiode 306.
  • the sensitivity or the sensitivity of the device can be independent of the volume of the sample chamber. As a result, the device can be reduced in size. This allows a compact and / or easily scalable
  • FIG. 4 shows a schematic view of a device according to various embodiments.
  • the measuring device 112 may include or be based on an interferometer, as shown schematically in FIG.
  • the interferometer as shown schematically in FIG.
  • Interferometer is for example a Mach-Zehnder interferometer or a Michelson interferometer.
  • Refractive index of the material mixture 110 which is based on a Mach-Zehnder interferometer, the influence of temperature on the reliability and accuracy of the
  • Measurement can be prevented by relative measurements
  • Refractive index with a reference value Refractive index with a reference value
  • the measuring device 112 comprises or is based on an ellipsometer to determine the influence of the irradiation of the given material with the To detect electromagnetic radiation of the predetermined wavelength.
  • the measuring device 112 may be based on a polarization and / or an angle of incidence of a beam of electromagnetic radiation.
  • Material mixture may be the ambient air of the beam and / or the sample on which the beam is incident.
  • FIG. 5 shows a flow chart of a method according to FIG.
  • a method 500 is provided for examining a material mixture, for example, for detecting a change in concentration of a given material in the material mixture.
  • the method can be performed with a device 100, 200 described above.
  • the method 500 comprises at least partial filling Sl of a chamber with a predetermined material mixture.
  • the material mixture has a refractive index.
  • Material mixture also has the predetermined material, for example, having a concentration in a range of about 50 ppm to about 5000 ppm, or more.
  • the method further comprises irradiating S2 of
  • Material mixture in the chamber with an electromagnetic radiation having at least one predetermined wavelength by means of a radiation source is arranged such that the predetermined material is the sole or substantially the only material of the
  • Material mixture is that absorbs the electromagnetic radiation of the given wavelength.
  • the method further comprises a direct or indirect measurement S3 of the refractive index of the material mixture by means of a measuring device.
  • the method further comprises (optionally) detecting S4 a change in the measured refractive index of the
  • the electromagnetic radiation is a laser radiation.
  • the method 500 may further include optically filtering the electromagnetic energy emitted by the radiation source
  • the default material of the material mixture is
  • oxygen for example, one of the following materials: oxygen, carbon dioxide, nitrogen oxide, nitrogen dioxide.
  • the material mixture may be gaseous, for example, the material mixture corresponds to an ambient air of the measuring device.
  • the material mixture can be liquid.
  • the mixture of materials is on a surface of the chamber,
  • the measuring device is in this example for measuring the
  • the measuring device is based on a surface plasmon resonance spectroscope.
  • the measurement S3 in this example is surface plasmon resonance spectroscopy.
  • Method comprises at least a partial filling of a chamber with the material mixture, wherein the material mixture has a refractive index and a predetermined material.
  • the method further comprises irradiating the
  • Material mixture is that absorbs the electromagnetic radiation of the given wavelength.
  • the method further comprises directly or indirectly measuring the
  • the embodiment 1 optionally further comprises detecting a change in the measured refractive index of the material mixture with respect to a
  • Radiation source is optically coupled such that the electromagnetic radiation having the at least one predetermined wavelength of the material mixture in the chamber is absorbable.
  • Embodiments 1 to 3 optional on that the
  • Radiation source is a laser or a laser diode.
  • Embodiments 1 to 4 optionally an optical filtering of the emissable from the radiation source
  • the transmission of electromagnetic radiation of at least one other wavelength is reduced in intensity or in the
  • Embodiments 1 to 5 optionally on that the given material of the material mixture of one of the following materials is: oxygen, carbon dioxide,
  • Nitrogen oxide nitrogen dioxide.
  • Embodiments 1 to 6 optionally on that the
  • Material mixture is gaseous and the material mixture corresponds to an ambient air of the measuring device.
  • one of the materials is gaseous and the material mixture corresponds to an ambient air of the measuring device.
  • Embodiments 1 to 7 optionally on that the
  • Material mixture is gaseous and the chamber a
  • Pressure sensor which is adapted to detect the pressure of the gaseous material mixture in the chamber.
  • Embodiments 1 to 7 optionally on that the
  • Material mixture is liquid and the material mixture is adsorbed on a surface of the chamber and the measuring device is for measuring a refractive index of the adsorbed
  • Embodiments 1 to 9 optionally on that the chamber further comprises an optical cavity which is formed with respect to the radiation source in the chamber, that the electromagnetic radiation having the predetermined wavelength satisfies a resonance condition of the optical cavity and passes into the optical cavity.
  • Embodiments 1 to 10 optionally on that the measuring device has a further radiation source, which is adapted to emit a further electromagnetic radiation, wherein the refractive index is measured based on the further electromagnetic radiation.
  • Exemplary embodiments 1 to 11 optionally, that the measuring Device an optical resonator, the position-dependent different natural frequencies for a given
  • Embodiments 1 to 12 optionally include that the measuring device comprises or is based on one of the following devices: an interferometer, an ellipsometer, a surface plasmon resonance spectrometer, a refractometer.
  • a device for examining a material mixture is provided.
  • Device comprises: a radiation source for
  • Emitting an electromagnetic radiation having at least one predetermined wavelength is set up, a chamber with the material mixture, wherein the material mixture has a refractive index, and wherein the material mixture comprises a predetermined material; wherein the radiation source is arranged such that the predetermined material is the sole or substantially the only material of the
  • Material mixture is that absorbs the electromagnetic radiation of the predetermined wavelength, and a measuring device for measuring the refractive index of the
  • the exemplary embodiment 14 optionally has an evaluation unit for
  • Detecting a change in the measured refractive index of the material mixture is provided in the device.
  • Embodiment 14 or 15 optionally on that the chamber with the radiation source is optically coupled such that the electromagnetic radiation with the at least one predetermined wavelength of the material mixture in the
  • Chamber is absorbable.
  • Embodiments 14 to 16 optional on that the
  • Radiation source is a laser or a laser diode.
  • Embodiments 14 to 17 optionally an optical
  • Exemplary embodiments 14 to 18 optionally that the predetermined material of the material mixture is one of the following materials: oxygen, carbon dioxide,
  • Nitrogen oxide nitrogen dioxide.
  • Embodiments 14 to 19 optionally on that the
  • Material mixture is gaseous and the material mixture corresponds to an ambient air of the measuring device.
  • Embodiments 14 to 20 optionally on that the
  • Material mixture is gaseous and the chamber a
  • Pressure sensor which is adapted to detect the pressure of the gaseous material mixture in the chamber.
  • Embodiments 14 to 21 optionally on that the
  • Material mixture is liquid and the material mixture is adsorbed on a surface of the chamber and the measuring device for measuring a refractive index of the adsorbed
  • one of the embodiments 14 to 22 optionally includes that the chamber further comprises an optical cavity formed with respect to the radiation source in the chamber such that the electromagnetic radiation having the predetermined wavelength satisfies a resonance condition of the optical cavity and the optical cavity passes.
  • the chamber further comprises an optical cavity formed with respect to the radiation source in the chamber such that the electromagnetic radiation having the predetermined wavelength satisfies a resonance condition of the optical cavity and the optical cavity passes.
  • Embodiments 14 to 23 optionally on that the measuring device has a further radiation source, which is adapted to emit a further electromagnetic radiation, wherein the refractive index is measured based on the further electromagnetic radiation.
  • Embodiments 14 to 24 optionally on that the measuring device an optical resonator, the position-dependent different natural frequencies for a given
  • Embodiments 14 to 25 optionally include that the measuring device comprises or is based on one of the following devices: an interferometer, an ellipsometer, a surface plasmon resonance spectrometer, a refractometer. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen einer Materialmischung bereitgestellt. Das Verfahren weist aufweisend: mindestens ein teilweises Füllen (S1) einer Kammer (106) mit dem Materialgemisch (110), wobei das Materialgemisch (110) einen Brechungsindex und ein vorgegebenes Material aufweist; ein Bestrahlen (S2) des Materialgemisches (110) in der Kammer (106) mit einer elektromagnetischen Strahlung (104) mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle (102), wobei die Strahlungsquelle (102) derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches (110) ist, das die elektromagnetische Strahlung (102) der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, und ein direktes oder indirektes Messen (S3) des Brechungsindexes des Materialgemisches (110) mittels einer Mess-Vorrichtung (112).

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM UNTERSUCHEN EINES
MATERIALGEMISCHES
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen eines Materialgemisches.
Ein Gassensor ist eine Vorrichtung zur Erfassen gasförmiger Substanzen, wobei die Konzentration der gasförmigen Substanz in der Umgebungsluft in der direkten Umgebung des Gassensors erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Ein herkömmlicher Gassensor basiert unter anderem auf der fotoakustischen Rückkopplung eines zu erfassenden Gases, einer Absorptionsspektroskopie oder einer Störung eines Evaneszenzfeldes . Die herkömmlichen Verfahren basieren üblicherweise auf chemischen Reaktionen, einer Absorption im mittleren Infrarotbereich und/oder die Vorrichtungen weisen bewegliche Teile auf, beispielsweise einen sogenannten
Chopper, um einen Lichtstrahl periodisch zu unterbrechen. Die herkömmlichen Verfahren sind durch die beweglichen Teile und großen, erforderlichen Probenvolumina relativ kostenintensiv und zeitlich instabil, da sich unter anderem die Justierung der Vorrichtungen ändert, beispielsweise durch
Temperaturschwankungen .
In verschiedenen Ausführungsformen werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, mit denen es möglich ist, ein Materialgemisch zu untersuchen, beispielsweise eine
Konzentrationsänderung eines vorgegebenen Materials in einem Materialgemisch zu erfassen, wobei die Vorrichtung kompakter ist als herkömmliche Vorrichtungen und das Verfahren
zuverlässiger ist als herkömmliche Verfahren. Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche Bestandteile des
Materialgemisches mit einer einzigen Mess-Vorrichtung
untersucht werden. In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum
Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt. Das Verfahren weist mindestens ein teilweises Füllen einer Kammer mit dem Materialgemisch auf. Das Materialgemisch weist einen Brechungsindex auf und weist ein vorgegebenes Material auf. Das Verfahren weist weiterhin ein Bestrahlen des
Materialgemisches in der Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle auf. Die Strahlungsquelle ist derart eingerichtet, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des
Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert. Das Verfahren weist weiterhin ein direktes oder indirektes Messendes
Brechungsindexes des Materialgemisches mittels einer Mess- Vorrichtung auf.
Das Untersuchen ist beispielsweise ein Erfassen einer
Konzentrationsänderung des Materials in dem Materialgemisch.
Dies ermöglicht zeitlich stabile Untersuchungen des
Materialgemischs , beispielsweise da für Messungen basierend auf dem Brechungsindex in der Vorrichtung nicht notwendiger Weise bewegliche Teile oder chemische Reaktionen erforderlich sind .
Ein herkömmliches Absorptionsspektrometer zum Erfassen eines Anteils eines vorgegebenen Materials in einem Materialgemisch basiert auf der Messung eines absorptionsbedingten
Energieverlustes einer elektromagnetischen Strahlung durch Passieren des Materialgemisches. Im Gegensatz dazu wird bei der Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Anteil des vorgegebenen Materials an dem Materialgemisch durch Erfassen des Brechungsindexes bzw. einer vom
Brechungsindex des Materialgemisches indirekt abhängigen Größe erfasst. Eine indirekte Größe ist beispielsweise die optische Weglänge einer elektromagnetischen Strahlung in einer optischen
Kavität oder einem Streu- oder Brechungswinkel der
elektromagnetischen Strahlung, der sich nach der Bestrahlung mit einer spezifisch von dem vorgegebenen Material
absorbierten, elektromagnetischen Strahlung einstellt.
Die Änderung der optischen Weglänge durch das Bestrahlen des Materialgemisches kann zu einem Ändern der Position eines in einem Wellenleiter geführten Strahls elektromagnetischer
Strahlung führen, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Änderung der optischen Weglänge durch das Bestrahlen des Materialgemisches zu einem Ändern der Intensität eines Strahls
elektromagnetischer Strahlung führen, indem durch die
Brechungsindexänderung eine Interferenzbedingung in einer optischen Kavität geändert wird.
Ein Messen der indirekt abhängigen Größe wird als indirektes Messen bezeichnet. Beispielsweise ist das Messen einer optischen Weglänge einer elektromagnetischen Strahlung einer vorgegebenen Wellenlänge in einem Wellenleiter ein indirektes Messen des Brechungsindexes des Wellenleiters, da die
Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung nicht verändert wird.
Das Messen des Brechungsindexes des Materialgemisches mittels der Mess-Vorrichtung kann während des Bestrahlens und/oder nach einem Beenden des Bestrahlens des Materialgemisches mit der elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebenen
Wellenlänge erfolgen. Während des Bestrahlens erwärmt sich das Materialgemisch durch die Absorption der
elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebene Wellenlänge von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur. Das Materialgemisch weist bei der zweiten Temperatur einen anderen Brechungsindex auf als bei der ersten Temperatur. Der Unterschied zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur, beispielsweise die Temperaturänderung des Materialgemisches, und damit auch die Änderung des Brechungsindexes des Materialgemisches sind unter anderem funktional abhängig von dem Anteil des
vorgegebenen Materials an dem Materialgemisch. Somit kann das Messen des Brechungsindexes die Messung des zeitlichen
Verlaufs des Brechungsindexes sein. Beispielsweise ist der Verlauf eine Zeitreihe von Brechungsindexwerten. Der
Brechungsindex kann dabei als eine komplexe Größe gemessen werden, beispielsweise als Real- und Imaginärteil mittels einer Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie .
Nach dem Beenden der Bestrahlung des Materialgemisches ändert sich die Temperatur auf eine dritte Temperatur, die kleiner als die zweite Temperatur ist. Die dritte Temperatur kann beispielsweise ungefähr der ersten Temperatur entsprechen.
Mit anderen Worten: der Brechungsindex des Materialgemisches kann während eines Heiz- und/oder Kühlzyklus gemessen werden. Alternativ kann der Brechungsindex aus mehreren Messungen, beispielsweise mehreren Heiz- und/oder Kühlzyklen ermittelt werden, beispielsweise als ein mittlerer Verlauf des
Brechungsindexes des Materialgemisches während oder nach der Bestrahlung . Bei einem Messen des Brechungsindexes eines Materials mit einem herkömmlichen Refraktometer wird eine solche
Brechungsindexänderung durch Absorption als Einschwingvorgang der Mess-Vorrichtung verworfen. Alternativ oder zusätzlich kann der Brechungsindex des
Materialgemisches gemessen werden, nachdem sich in dem
Materialgemisch ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat . In einer Weiterbildung weist das Verfahren ferner ein
Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches bezüglich eines Referenzwerts mittels einer Auswerteeinheit auf. Der Referenzwert ist beispielsweise ein zuvor gemessener Wert des Materialgemischs , ein gemessener Wert der leeren Kammer, einer Referenzkammer mit einem Materialgemisch, das frei ist von dem vorgegebenen Material und/oder einem elektronisch gespeicherten Wert.
Dadurch können beispielsweise Konzentrationen des
vorgegebenen Materials, beispielsweise Sauerstoff,
Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid, etc., in einem Materialgemisch, beispielsweise Luft, in einem
Konzentrationsbereich von ungefähr 50 ppm bis 5000 ppm oder mehr erfasst werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt. Die Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle auf, die zum
Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist. Die
Vorrichtung weist weiterhin eine Kammer mit dem
Materialgemisch auf. Das Materialgemisch weist einen
Brechungsindex auf. Das Materialgemisch weist weiterhin ein vorgegebenes Material auf. Die Strahlungsquelle ist derart eingerichtet, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen
Wellenlänge absorbiert. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Mess-Vorrichtung zum Messen des Brechungsindexes des
Materialgemisches auf. Anschaulich basiert die Vorrichtung auf der Rückkopplung eines zu erfassenden, vorgegebenen Materials, beispielsweise eines, Gases auf eine optische, elektromagnetische Welle. Die Absorption der elektromagnetischen Welle durch das
vorgegebene Material induziert eine Temperaturänderung des Materialgemisches, die zu einer Änderung des Brechungsindexes des Materialgemisches führt. Die Brechungsindexänderung kann beispielsweise mittels einer interferometrischen Mess- Vorrichtung erfasst werden. Die interferometrische Mess- Vorrichtung ist beispielsweise ein Mach-Zehnder- Interferrometer . Alternativ oder zusätzlich basiert die interferometrische Mess-Vorrichtung auf einem sogenannten, Brechungsindex-basiertem optischem „Chirped Gitter". Bei einem Chirped Gitter ändert sich mittels des
Brechungsindexprofils die Resonanzbedingung entlang der
Ausbreitungsrichtung von Licht in dem Chirped Gitter, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird. Mittels eines Chirped Gitters ist die Empfindlichkeit bzw. die Sensitivität der Vorrichtung unabhängig von dem Volumen der Probenkammer. Dadurch kann die Vorrichtung in ihrer Abmessung verkleinert werden. Dies ermöglicht eine kompakte und/oder eine auf einfache Weise skalierbare Vorrichtung bereitzustellen. Weiterhin kann die Vorrichtung eine verbesserte
Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweisen als herkömmliche Vorrichtungen. Beispielsweise kann die Zuverlässigkeit der Vorrichtung, beispielsweise bezüglich einer minimalen, detektierbaren Konzentration des vorgegebenen Materials in dem Materialgemisch erhöht werden. Beispielsweise ist die
Mess-Vorrichtung weniger anfällig für Temperaturfluktuationen als herkömmliche Absorptionsspektrometer . Beispielsweise werden herkömmliche Absorptionsspektrometer im mittleren Infrarotbereich (MIR) betrieben, wohingegen die Mess- Vorrichtung im nahen Infrarotbereich (NIR) betrieben werden kann .
In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine
Auswerteeinheit zum Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches auf.
Dadurch kann mittels der vorgegebenen Wellenlänge das
Verhalten, beispielsweise eine Konzentrationsänderung, eines vorgegebenen Materials in dem Materialgemisch untersucht werden.
In noch einer Weiterbildung ist die Kammer mit der
Strahlungsquelle derart optisch gekoppelt, dass die
elektromagnetische Strahlung mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch in der
Kammer absorbierbar ist. Mit anderen Worten: die
elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge gelangt auch zu dem vorgegebenen Material.
In noch einer Weiterbildung ist die Strahlungsquelle ein Laser oder eine Laser-Diode ist. Dies ermöglicht eine bessere Abstimmung der vorgegebenen Wellenlänge der
elektromagnetischen Strahlung auf das vorgegebene Material. Dadurch können parasitäre Absorptionen reduziert oder
vermieden werden, beispielsweise das ein weiteres Material des Materialgemischs eine Seitenbande der elektromagnetischen Strahlung einer breitbandigen Strahlungsquelle absorbiert. In noch einer Weiterbildung weist die Vorrichtung ferner einen optischen Filter auf, der durchlässig für
elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist und eingerichtet ist, die Transmission elektromagnetischer Strahlung mindestens einer weiteren
Wellenlänge reduziert oder blockiert. Dies ermöglicht eine einzige Strahlungsquelle für die Vorrichtung zu verwenden, die wahlweise elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher, vorgegebener Wellenlängen für unterschiedliche vorgegebene Materialien bereitstellen kann. Beispielsweise weist die Strahlungsquelle mehrere, unterschiedliche Laserdioden auf oder eine Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung mit mehreren, voneinander beabstandeten Wellenlängenbereichen bzw. Bändern emittiert. In noch einer Weiterbildung ist das vorgegebene Material des Materialgemischs eines der folgenden Materialien Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid.
In noch einer Weiterbildung ist das Materialgemisch gasförmig und das Materialgemisch entspricht einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung . Entsprechend ist die Kammer eingerichtet, die Umgebungsluft aufzunehmen und für die Dauer der Messungen zu halten. Optional ist die Kammer eingerichtet, so dass das Materialgemisch bzw. das Gasgemisch in der Kammer gewechselt werden kann, wenn sich die Umgebungsluft in ihrer
Zusammensetzung ändert. Beispielsweise weist die Kammer einen Zu- und/oder Abgang und eine Pumpe auf, um die Kammer zu evakuieren.
In noch einer Weiterbildung ist das Materialgemisch gasförmig und die Kammer weist einen Drucksensor auf, der eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen Materialgemisches in der
Kammer zu erfassen. Dies ermöglicht es, den Einfluss der
Änderung der Dichte des Materialgemisches auf die Änderung des Brechungsindexes zu erfassen.
In noch einer Weiterbildung ist das Materialgemisch flüssig und das Materialgemisch ist auf einer Oberfläche der Kammer adsorbiert und die Mess-Vorrichtung ist zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten Materialgemisches
eingerichtet. Beispielsweise basiert die Mess-Vorrichtung auf einem Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer .
Beispielsweise weist die Mess-Vorrichtung und/oder die Kammer einen entsprechenden Probenhalter auf, um das flüssige
Materialgemisch in dem Strahl elektromagnetischer Strahlung der Strahlungsquelle zu halten. In noch einer Weiterbildung weist die Kammer ferner eine optische Kavität auf, die derart bezüglich der
Strahlungsquelle in der Kammer ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität erfüllt und in die optische Kavität passiert. Die optische Kavität ist beispielsweise eine Fabry-Perot-Kavität . Das Materialgemisch kann sich dabei in der optischen Kavität befinden. Dadurch kann die Intensität und/oder Strahlungsdichte der
elektromagnetischen Strahlung in der Kammer auf einfache Weise erhöht werden. Mittels der optischen Kavität kann eine lokale optische Strahlungsdichte in dem Materialgemisch erhöht werden, beispielsweise um mehr als das 100-fache.
Beispielsweise passiert der Strahl der elektromagnetischen Strahlung einen Bereich des Materialgemischs mehrfach und bei jedem Durchgang des Strahls durch den Bereich kann ein Teil des Strahls elektromagnetischer Strahlung von dem
vorgegebenen Material absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Dadurch kann das erforderliche Volumen für die
Probenkammer reduziert werden. Dies ermöglicht eine kompakte und/oder eine auf einfache Weise skalierbare Vorrichtung bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann dadurch die Sensitivität der Vorrichtung bezüglich der minimal
erfassbaren Konzentration erhöht werden.
In noch einer Weiterbildung weist die Mess-Vorrichtung eine weitere Strahlungsquelle auf, die zu einem Emittieren einer weiteren (zweiten) elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, wobei der Brechungsindex basierend auf der weiteren elektromagnetischen Strahlung erfasst, ermittelt bzw.
gemessen wird. Die weitere elektromagnetische Strahlung kann unterschiedlich zu der (ersten) elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge sein. Die erste
elektromagnetische Strahlung und die zweite
elektromagnetische Strahlung können derart zueinander in der Kammer verlaufen, dass die Mess-Vorrichtung nur die zweite elektromagnetische Strahlung erfasst. Die zweite
elektromagnetische Strahlung kann ein multichromes Spektrum aufweisen, beispielsweise eine Weißlichtquelle. Dadurch können für die Erfassung des Brechungsindexes bzw. deren Änderung der Brechungsindex mehrerer Wellenlängen
gleichzeitig oder nacheinander mittels einer einzigen
Bestrahlung durch die weitere Strahlungsquelle erfasst werden. Dies ermöglicht es beispielweise die Änderung der Konzentration des vorgegebenen Materials mittels mehrerer Datenpunkte (unterschiedliche Wellenlängen) zu erfassen.
Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Messung erhöht werden, die Messzeit verkürzt werden und/oder das Probenvolumen verkleinert werden.
Anschaulich ermöglicht dies, dass für die Anregung des vorgegebenen Materials, beispielsweise für die Erwärmung des Materialgemisches und für die Messung des Brechungsindexes des Materialgemisches elektromagnetische Strahlung mit zueinander unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden können. Mittels unterschiedlicher vorgegebener Wellenlängen, die von unterschiedlichen vorgegebenen Materialien selektiv absorbiert werden, können weiterhin unterschiedliche
Materialien und Materialgemische mit einer einzigen Mess- Vorrichtung untersucht werden.
In noch einer Weiterbildung weist die Mess-Vorrichtung einen optischen Resonator, der positionsabhängig unterschiedliche Eigenfrequenzen für eine vorgegebene elektromagnetische
Strahlung aufweist, und eine Fotodiode, die zum Erfassen der Position der elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Resonator angeordnet und eingerichtet ist, auf. Dies
ermöglicht durch die Änderung der Position einer
elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Resonator eine genaue und einfache Bestimmung des Brechungsindex des
Materialgemisches. Beispielsweise ist die Position der
Eigenfrequenzen in dem optischen Resonator abhängig von der Lichtkopplung und von dem Brechungsindex an der Oberfläche des optischen Resonators. Das Materialgemisch befindet sich anschaulich im körperlichen Kontakt mit dem optischen
Resonator . In noch einer Weiterbildung ist oder basiert die Mess- Vorrichtung auf eine/r der folgenden Vorrichtungen: ein
Interferometer, ein Eilipsometer, ein
Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer, ein Refraktometer. Mit einem Mach-Zehnder-Interferometer als Interferometer kann die Abmessung der Probenkammer, beispielsweise die Länge und das Volumen der Probenkammer, reduziert werden. Dies ist möglich, da das auf der Vorrichtung basierende Erfass- Verfahren sehr sensitiv ist, beispielsweise eine geringe Nachweisschwelle aufweist, das heißt bereits geringe
Konzentrationen nachweisbar sind. Eine Mess-Vorrichtung basierend auf einem Ellipsometer weist beispielsweise durch Bestimmung des Brewster-Winkels eine hohe Sensitivität bezüglich des Brechungsindexes des
Materialgemisches auf. In ähnlicher Weise weist eine
Oberflächenplasmonenresonanz-Messtruktur eine Hohe
Sensitivität bezüglich des Brechungsindexes des
Materialgemisches beim Winkel der
Oberflächenplasmonenresonanz auf . Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; Figur 2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; Figur 3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
Figur 4 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; und
Figur 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß
verschiedenen Ausführungsbeispielen .
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische
Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird
Richtungsterminologie wie etwa „oben", „unten", „vorne", „hinten", „vorderes", „hinteres", usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur (en) verwendet. Da
Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl
verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der
Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe
"verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
FIG . l zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen . In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Vorrichtung 100 bereitgestellt mittels der ein Materialgemisch 110 untersucht werden kann. Das Materialgemisch 110 weist ein vorgegebenes Material auf. Das vorgegebene Material ist das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des
Materialgemisches 110, das eine elektromagnetische Strahlung 104 einer vorgegebenen Wellenlänge absorbieren kann. Die durch das vorgegebene Material selektive Absorption der elektromagnetischen Strahlung 104 führt zu einer Erwärmung des Materialgemisches 110. Durch die Erwärmung des
Materialgemisches 110 ändern sich einige physikalische
Eigenschaften des Materialgemisches 110, beispielsweise der Brechungsindex des Materialgemisches 110. Der Brechungsindex n und die temperaturabhängige Änderung des Brechungsindex dn/dT des Materialgemisches 110 sind abhängig von der
Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und/oder von der Konzentration bzw. dem Anteil des vorgegebenen Materials in dem Materialgemisch 110. Durch die Bestrahlung des
Materialgemisches 110 mit der elektromagnetischen Strahlung 104 kann somit ein Rückschluss auf den Gehalt bzw. die
Konzentration an vorgegebenem Material an dem Materialgemisch 110 gezogen werden.
Grundlage für die selektive Absorption ist dabei, dass die elektromagnetische Strahlung Atom- bzw. Molekülzustände des vorgegebenen Materials energetisch anregt. Im
Abregungsprozess der angeregten Zustände des vorgegebenen Materials führt dies teilweise zu einer Erwärmung des
vorgegeben Materials (in Form einer Erzeugung von Phononen) und somit zu einer Erwärmung des Materialgemisches 110.
Übergänge zwischen Energieniveaus eines Atoms bzw. Moleküls entsprechen Energien, die einer Wellenlänge der anregenden elektromagnetischen Strahlung zugeordnet ist. Mit anderen Worten: bestimmte Übergänge zwischen Energieniveaus lassen sich nur mit elektromagnetischer Strahlung bestimmter
Wellenlänge anregen. Anwendungsspezifisch sind in einem
Materialgemisch nur einige, wenige mögliche Materialien in dem Materialgemisch enthalten. Beispielsweise sind die grundlegenden Bestandteile von Umgebungsluft ortsunabhängig bekannt bzw. abschätzbar.
Die in dem Materialgemisch enthaltenen, realistischer Weise möglichen Materialen weisen teilweise Übergänge zwischen Energieniveaus auf, die kein weiteres Material in dem
Materialgemisch aufweist. Alternativ weisen die weiteren Materialien Übergänge mit einer wesentlich geringeren
Absorption und/oder einem Abregungsprozess ohne oder mit geringerer Erwärmung des Materialgemisches 110 auf. Das
Material mit mindestens einem Übergang, den kein weiteres
Material des Materialgemischs aufweist, wird bezüglich dieses Überganges und der zur Anregung dieses Überganges im
Zusammenhang stehenden Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung als vorgegebenes Material oder selektiv absorbierendes Material bezeichnet.
Mittels einer selektiven Anregung des spezifischen
Energieniveau-Überganges und einem Erfassen der Auswirkung des Abregungsprozesses (Erwärmung des Materialgemisches 110), beispielsweise der erwärmungsbedingten Änderung des
Brechungsindexes des Materialgemisches 110, kann auf die Konzentration des selektiv absorbierenden Materials in dem Materialgemisch und/oder auf eine Änderung der Konzentration des selektiv absorbierenden Materials in dem Materialgemisch geschlossen werden. Beispielsweise erfolgt dies durch
Vergleich mit einem Referenzwert, beispielsweise einem
Messwert ohne oder mit geringer Erwärmung des
Materialgemisches. Dies ermöglicht beispielsweise die
Vorrichtung als einen Kohlenstoffdioxid-Sensor für
Umgebungsluft zu betreiben.
Im Detail:
In verschieden Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 100 eine Strahlungsquelle 102 auf. Die Strahlungsquelle ist zum Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung 104 mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet.
Die Strahlungsquelle 102 ist derart eingerichtet, dass ein vorgegebenes Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material eines Materialgemisches 110 ist, das die elektromagnetische Strahlung 104 der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert .
Die Strahlungsquelle 102 kann beispielsweise ein Laser oder eine Laser-Diode sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsquelle 102 eingerichtet sein, eine
multichromatische, elektromagnetische Strahlung 104 zu emittieren . In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung einen optischen Filter aufweisen, beispielsweise in der
Strahlungsquelle 102 integriert. Der optische Filter ist durchlässig für elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet und ist eingerichtet, die
Transmission elektromagnetischer Strahlung mindestens einer weiteren Wellenlänge zu reduzieren oder zu blockieren.
Die Strahlungsquelle 102 ist eingerichtet eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von ungefähr 200 nm bis ungefähr 20 ym zu emittieren.
Die elektromagnetische Strahlung 104 kann Licht im sichtbaren Bereich, infrarote ( IR) -Strahlung und/oder ultraviolette (UV) -Strahlung aufweisen oder sein.
Die Vorrichtung weist in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Kammer 106 mit einem vorgegebenen Materialgemisch 110 auf . Die Kammer 106 ist derart mit der Strahlungsquelle 102 optisch gekoppelt ist, dass die elektromagnetische Strahlung 104 mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch 110 in der Kammer 106 absorbierbar ist. Die Kammer 106 kann ein oder mehrere Fenster 108 aufweisen, durch das/die elektromagnetische Strahlung von einer
Strahlungsquelle, die außerhalb der Kammer 106 angeordnet ist, in das Materialgemisch 110 gelangen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Fenster 108 vorgesehen sein, so dass elektromagnetische Strahlung von dem Materialgemisch zu einer Mess-Struktur einer Mess-Vorrichtung 112 gelangen kann, beispielsweise zu einer Fotodiode. Das/die Fenster 108 ist/sind durchlässig für die jeweilige elektromagnetische Strahlung. Mittels der Fenster kann beispielsweise eine gasdichte Kammer realisiert werden.
Das Materialgemisch 110 weist einen Brechungsindex auf. Der Brechungsindex kann für verschiedene Wellenlängen
unterschiedlich sein. Der Brechungsindex des Materialgemisches ergibt sich aus den relativen Anteilen der Komponenten des Materialgemisches 110 sowie deren jeweiliger Brechungsindex . Das Materialgemisch 110 weist ein vorgegebenes Material auf. Mit anderen Worten: das Materialgemisch 110 weist mindestens das vorgegebene Material und ein weiteres Material auf, das unterschiedlich zu dem vorgegebenen Material ist. Das
vorgegebene Material des Materialgemischs 110 ist
beispielsweise Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid .
Das Materialgemisch 110 ist in verschiedenen
Ausführungsbeispielen gasförmig. Entsprechend ist die Kammer 106 zum Aufnehmen und Halten eines Gasgemisches eingerichtet, beispielsweise luftdicht. Das Materialgemisch 110 kann beispielsweise einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung 112 entsprechen. Die Vorrichtung 100 und insbesondere die Kammer 106 kann eingerichtet sein, das gasförmige Materialgemisch 110 statisch in der Kammer 106 zu halten. Alternativ kann die Kammer 106 einen Zugang und/oder einen Abgang aufweisen, mittels denen bzw. mittels dessen die Zusammensetzung des Gases bzw. des Materialgemisches 110 in der Kammer 106 zeitlich verändert werden kann.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen, bei denen das
Materialgemisch 110 mindestens teilweise gasförmig ist, kann die Kammer 106 einen Drucksensor aufweisen. Der Drucksensor ist eingerichtet, den Druck des gasförmigen Materialgemisches 110 in der Kammer 106 zu erfassen. Die Änderungen des Druckes in der Kammer 106 kann beispielsweise bedingt sein durch eine Temperaturänderung des Materialgemisches in der Kammer 106, durch eine chemische Reaktion des Materialgemisches, die zu einer Gasbildung führt; einem Ausgasen eines festen oder flüssigen Materialgemisches; einem Befüllen oder Evakuieren der Kammer 106 mit bzw. von Materialgemisch 110 mittels eines Zuganges bzw. mittels eines Abganges der Kammer 106. Der Brechungsindex des Materialgemisches bzw. des vorgegebenen Materials ist bei einer geschlossen Kammer 106 abhängig von deren Dichte, wobei die Dichte wiederum abhängig ist vom Druck in der Kammer 106. Mittels des Drucksensors kann somit die Brechungsindexänderung nach Absorption der
elektromagnetischen Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge durch das vorgegebene Material basierend auf der
Druckänderung korrigiert werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 100 ferner eine Mess-Vorrichtung 112 auf. Die Mess- Vorrichtung 112 ist zum Messen eines Brechungsindexes des Materialgemisches 110 eingerichtet. Der gemessene
Brechungsindex ist beispielsweise der Brechungsindex bei einer vorgegebenen Wellenlängen, beispielsweise der
vorgegebenen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung 104, die von der Strahlungsquelle 102 emittierbar ist.
Alternativ oder zusätzlich ist der gemessene Brechungsindex eine Vielzahl an Brechungsindexwerten bzw. ein
Brechungsindexverlauf, für einen Wellenlängenbereich einer elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise für den Fall einer Wellenlängen-durchstimmbaren weiteren Strahlungsquelle (siehe beispielsweise FIG.3 und FIG.4).
In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung 100 derart eingerichtet, dass der Abstand zwischen der
Strahlungsquelle 102 und der Mess-Vorrichtung 112,
beispielsweise einer Fotodiode der Mess-Vorrichtung, kleiner ist als die Kohärenzlänge der elektromagnetischen Strahlung 104 mit der vorgegebenen Wellenlänge.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Mess- Vorrichtung 112 zum Messen eines Brechungsindexes des
Materialgemisches 110 im Wesentlichen außerhalb der Kammer 106 ausgebildet.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 100 weiterhin eine Auswerteeinheit 114 auf. Die
Auswerteeinheit 114 ist zum Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches 110
eingerichtet .
FIG.2 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
Das in FIG.2 schematisch veranschaulicht Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 200 kann im Wesentlichen einem oben
beschriebenem Ausführungsbeispiel entsprechen. Im Unterschied zu der in FIG.l veranschaulichten Vorrichtung 100 ist die Vorrichtung 200 der FIG.2 für feste, flüssige oder
mehrphasige Materialgemische 110 eingerichtet. Ein
mehrphasiges Materialgemisch ist beispielsweise eine
Beschichtung, die ein flüchtiges Material aufweist, das aus der Beschichtung ausgast.
Mit anderen Worten: alternativ oder zusätzlich zu dem
gasförmigen Materialgemisch des in FIG.l veranschaulichten Ausführungsbeispiels, kann das Materialgemisch 110 flüssig sein. Entsprechend ist die Kammer 106 zum Aufnehmen und
Halten eines Flüssiggemisches eingerichtet. Beispielsweise kann das Materialgemisch 110 auf einer Oberfläche der Kammer 106, beispielsweise einer Oberfläche eines Probenhalters 202, adsorbiert sein. Der Probenhalter 202 kann beispielsweise ein Prisma oder eine Wellenleiterstruktur sein. Eine Oberfläche des Probenhalters 202, auf oder über der das Materialgemisch 110 angeordnet ist, kann mit einer Metallschicht oder einer Metalllegierung beschichtet sein, um mittels der
elektromagnetischen Strahlung 104 Oberflächenplasmonen in der der Metallschicht bzw. Metalllegierungs-Schicht anzuregen. Die Mess-Vorrichtung 112 kann in diesem Beispiel zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten Materialgemisches 110 eingerichtet sein. Beispielsweise basiert die Mess- Vorrichtung auf einem
Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer (surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy) und einer entsprechenden Mess- Struktur und Mess-Anordnung . Eine Kammer 106, die das
Materialgemisch 110 umschließt, wie in FIG.2 dargestellt ist, ist dabei optional. Mit anderen Worten: Die Kammer 106 ist in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Probenhalter, wobei bei nicht-gasförmigen Materialgemischen eine Umschließung des Materialgemisches 110 durch die Kammer nicht notwendigerweise erforderlich ist.
Das Materialgemisch kann jedoch, beispielsweise abhängig vom Druck in der Kammer 106, in einem flüssigen, festen und/oder gasförmigen Zustand vorliegen. Beispielsweise kann das vorgegebene Material ein flüchtiges Lösungsmittel einer
Lösung (Materialgemisch) sein.
FIG.3 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen . In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Kammer 106 eine optische Kavität 302 auf. Die optische Kavität 302 ist derart bezüglich der Strahlungsquelle 102 in der Kammer 106 ausgebildet, dass die elektromagnetische Strahlung 104 mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität 302 erfüllt und diese passiert, wie in
FIG.3 veranschaulicht ist. Dadurch kann auf einfache Weise die Intensität der elektromagnetischen Strahlung 104 in dem Materialgemisch 110 erhöht werden. In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Mess-
Vorrichtung 112 eine weitere Strahlungsquelle 304 auf. Die weitere Strahlungsquelle 304 ist zu einem Emittieren einer weiteren elektromagnetischen Strahlung eingerichtet. Die weitere elektromagnetische Strahlung kann
anwendungsspezifisch eine andere Wellenlänge bzw. ein anderes Wellenlängenspektrum aufweisen als die erste Strahlungsquelle 102. Die weitere Strahlungsquelle kann beispielsweise ein Laser bzw. eine Laserdiode sein. Der Brechungsindex kann basierend auf der weiteren
elektromagnetischen Strahlung gemessen werden. In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Mess- Vorrichtung 112 eine Fotodiode 306 auf. Die Fotodiode 306 kann eine Intensität und/oder eine Laufzeit einer
elektromagnetischen Strahlung erfassen, beispielsweise der weiteren elektromagnetischen Strahlung der weiteren
Strahlungsquelle 304 oder der elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge der Strahlungsquelle 102.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die Mess- Vorrichtung 112 einen optischen Resonator 308 auf,
beispielsweise in Form eines Strahlleiters.
In dem in FIG.3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der optische Resonator 308 als ein sogenanntes Chirped Gitter ausgebildet. Dabei weist der optische Resonator 308 auf einem Substrat (siehe schematische Seitenansicht 320) auf oder in einem Substrat erste Bereich 312 und zweite Bereiche 314 (siehe schematische Aufsicht 310) auf. Beispielsweise sin d der erste Bereich 312 und der zweite Bereich 314 zackenförmig oder fingerförmig ineinandergreifend ausgebildet. Dadurch wird jeweils abhängig von der y-Position, in x-Richtung
( longitudinale Richtung des Strahlleiters) eine andere optische Weglänge realisiert. Der optische Resonator 308 weist y-positionsabhängig somit unterschiedliche
Eigenfrequenzen für eine elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge auf.
Das Materialgemisch 110, das flüssig und/oder gasförmig sein kann, ist in einem körperlichen Kontakt mit dem optischen Resonator 308. Die Änderung des Brechungsindex des
Materialgemisches 110 durch Absorption der
elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegeben Wellenlänge von dem vorgegeben Material, führt zu einer Änderung der Resonanzbedingung des optischen Resonators 308. Dadurch ändert sich abhängig von der Temperatur die Y-Position einer elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Resonator 308. Die y-Position einer, in dem optischen Resonator 308
geführten, elektromagnetischen Strahlung erlaubt somit einen Rückschluss auf den Brechungsindex des Materialgemisches 110. Die Änderung der y-Position durch Bestrahlung des
Materialgemisches 110 mit der elektromagnetischen Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge erlaubt einen Rückschluss auf die Konzentration des vorgegebenen Materials in dem
Materialgemisch 110.
Die y-Position der in dem optischen Resonator 308 geführten, elektromagnetischen Strahlung kann mittels einer Fotodiode 306 erfasst werden.
Mittels des optischen Resonators 308 kann die Empfindlichkeit bzw. die Sensitivität der Vorrichtung unabhängig von dem Volumen der Probenkammer sein. Dadurch kann die Vorrichtung in ihrer Abmessung verkleinert werden. Dies ermöglicht eine kompakte und/oder eine auf einfache Weise skalierbare
Vorrichtung bereitzustellen.
FIG.4 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Mess- Vorrichtung 112 ein Interferometer aufweisen oder darauf basieren, wie in FIG.4 schematisch dargestellt ist. Das
Interferometer ist beispielsweise ein Mach-Zehnder- Interferometer oder ein Michelson-Interferometer .
Bei einer Mess-Vorrichtung 112 zur Messung des
Brechungsindexes des Materialgemisches 110, die auf einem Mach-Zehnder-Interferometer basiert, kann der Einfluss der Temperatur auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der
Messung durch relative Messungen unterbunden werden,
beispielsweise mittels eines Vergleiches des gemessenen
Brechungsindexes mit einem Referenzwert.
Alternativ oder zusätzlich weist die Mess-Vorrichtung 112 auf oder basiert auf einem Eilipsometer, um den Einfluss der Bestrahlung des vorgegebenen Materials mit der elektromagnetischen Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge zu erfassen. Mit anderen Worten: die Mess-Vorrichtung 112 kann auf einer Polarisation und/oder einem Einfallswinkel eines Strahls elektromagnetischer Strahlung basieren. Das
Materialgemisch kann die Umgebungsluft des Strahls sein und/oder die Probe, auf die der Strahl einfällt.
FIG.5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß
verschiedenen Ausführungsbeispielen .
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren 500 zum Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt, beispielsweise zum Erfassen einer Konzentrationsänderung eines vorgegebenen Materials in dem Materialgemisch. Das Verfahren kann mit einer oben beschriebenen Vorrichtung 100, 200 durchgeführt werden.
Das Verfahren 500 weist ein mindestens teilweises Füllen Sl einer Kammer mit einem vorgegebenen Materialgemisch auf. Das Materialgemisch weist einen Brechungsindex auf. Das
Materialgemisch weist zudem das vorgegebene Material auf, beispielsweise mit einer Konzentration in einem Bereich von ungefähr 50 ppm bis ungefähr 5000 ppm, oder mehr.
Das Verfahren weist ferner ein Bestrahlen S2 des
Materialgemisches in der Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle auf. Die Strahlungsquelle ist derart eingerichtet, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des
Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert.
Das Verfahren weist weiterhin ein direktes oder indirektes Messen S3 des Brechungsindexes des Materialgemisches mittels einer Mess-Vorrichtung auf. Das Verfahren weist (optional) weiterhin ein Erfassen S4 einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des
Materialgemisches mittels einer Auswerteeinheit. Die elektromagnetische Strahlung eine Laserstrahlung ist.
Das Verfahren 500 kann ferner ein optisches Filtern der von der Strahlungsquelle emittierten, elektromagnetischen
Strahlung aufweisen, so dass das Materialgemisch im
Wesentlich nur von der elektromagnetischen Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge bestrahlt wird.
Das vorgegebene Material des Materialgemischs ist
beispielsweise eines der folgenden Materialien: Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid.
Das Materialgemisch kann gasförmig sein, beispielsweise entspricht das Materialgemisch einer Umgebungsluft der Mess- Vorrichtung .
Das Materialgemisch kann flüssig sein. Beispielsweise ist das Materialgemisch auf einer Oberfläche der Kammer,
beispielsweise einem Probenhalter, adsorbiert. Die Mess- Vorrichtung ist in diesem Beispiel zum Messen des
Brechungsindexes des adsorbierten Materialgemisches
eingerichtet. Beispielsweise basiert die Mess-Vorrichtung auf einem Oberflächenplasmonenresonanzspektroskop . Das Messen S3 ist in diesem Beispiel Oberflächenplasmonenresonanz- spektroskopie .
In einem Ausführungsbeispiel 1 ist ein Verfahren zum
Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt. Das
Verfahren weist mindestens ein teilweises Füllen einer Kammer mit dem Materialgemisch auf, wobei das Materialgemisch einen Brechungsindex und ein vorgegebenes Material aufweist. Das Verfahren weist weiterhin ein Bestrahlen des
Materialgemisches in der Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle, wobei die Strahlungsquelle derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des
Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert. Das Verfahren weist weiterhin ein direktes oder indirektes Messen des
Brechungsindexes des Materialgemisches mittels einer Mess- Vorrichtung auf. In einem Ausführungsbeispiel 2 weist das Ausführungsbeispiel 1 optional ferner ein Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches bezüglich eines
Referenzwerts mittels einer Auswerteeinheit auf. In einem Ausführungsbeispiel 3 weist das Ausführungsbeispiel 1 oder 2 optional auf, dass die Kammer mit der
Strahlungsquelle derart optisch gekoppelt ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch in der Kammer absorbierbar ist.
In einem Ausführungsbeispiel 4 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 3 optional auf, dass die
Strahlungsquelle ein Laser oder eine Laser-Diode ist.
In einem Ausführungsbeispiel 5 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 4 optional ein optisches Filtern der von der Strahlungsquelle emittierbaren,
elektromagnetischen Strahlung auf, wobei die
elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge durchgelassen, beispielsweise in der Intensität im
Wesentlichen nicht verändert, wird die Transmission einer elektromagnetischen Strahlung mindestens einer weiteren Wellenlänge in Ihrer Intensität reduziert wird oder im
Wesentlichen ganz blockiert wird.
In einem Ausführungsbeispiel 6 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 5 optional auf, dass das vorgegebene Material des Materialgemischs eines der folgenden Materialien ist: Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid,
Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid . In einem Ausführungsbeispiel 7 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 6 optional auf, dass das
Materialgemisch gasförmig ist und das Materialgemisch einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung entspricht. In einem Ausführungsbeispiel 8 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 7 optional auf, dass das
Materialgemisch gasförmig ist und die Kammer einen
Drucksensor aufweist, der eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen Materialgemisches in der Kammer zu erfassen.
In einem Ausführungsbeispiel 9 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 7 optional auf, dass das
Materialgemisch flüssig ist und das Materialgemisch auf einer Oberfläche der Kammer adsorbiert ist und die Mess-Vorrichtung ist zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten
Materialgemisches eingerichtet ist.
In einem Ausführungsbeispiel 10 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 9 optional auf, dass die Kammer ferner eine optische Kavität aufweist, die derart bezüglich der Strahlungsquelle in der Kammer ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität erfüllt und in die optische Kavität passiert.
In einem Ausführungsbeispiel 11 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 10 optional auf, dass die Mess- Vorrichtung eine weitere Strahlungsquelle aufweist, die zu einem Emittieren einer weiteren elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, wobei der Brechungsindex basierend auf der weiteren elektromagnetischen Strahlung gemessen wird.
In einem Ausführungsbeispiel 12 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 11 optional auf, dass die Mess- Vorrichtung einen optischen Resonator, der positionsabhängig unterschiedliche Eigenfrequenzen für eine vorgegebene
elektromagnetische Strahlung aufweist, und eine Fotodiode, die zum Erfassen der Position der elektromagnetischen
Strahlung in dem optischen Resonator angeordnet und
eingerichtet ist, aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel 13 weist eines der
Ausführungsbeispiele 1 bis 12 optional auf, dass die Mess- Vorrichtung eine der folgenden Vorrichtungen aufweist oder darauf basiert: ein Interferometer, ein Eilipsometer, ein Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer, ein Refraktometer.
In einem Ausführungsbeispiel 14 ist eine Vorrichtung zum Untersuchen eines Materialgemisches bereitgestellt. Die
Vorrichtung weist auf: eine Strahlungsquelle, die zum
Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist, eine Kammer mit dem Materialgemisch, wobei das Materialgemisch einen Brechungsindex aufweist, und wobei das Materialgemisch ein vorgegebenes Material aufweist; wobei die Strahlungsquelle derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des
Materialgemisches ist, das die elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, und eine Mess- Vorrichtung zum Messen des Brechungsindexes des
Materialgemisches .
In einem Ausführungsbeispiel 15 weist das Ausführungsbeispiel 14 optional auf, dass ferner eine Auswerteeinheit zum
Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches in der Vorrichtung vorgesehen ist.
In einem Ausführungsbeispiel 16 weist eines der
Ausführungsbeispiel 14 oder 15 optional auf, dass die Kammer mit der Strahlungsquelle derart optisch gekoppelt ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch in der
Kammer absorbierbar ist.
In einem Ausführungsbeispiel 17 weist eines der
Ausführungsbeispiele 14 bis 16 optional auf, dass die
Strahlungsquelle ein Laser oder eine Laser-Diode ist.
In einem Ausführungsbeispiel 18 weist eines der
Ausführungsbeispiele 14 bis 17 optional einen optischen
Filter auf, der durchlässig für elektromagnetische Strahlung der vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist und
eingerichtet ist, die Transmission elektromagnetischer
Strahlung mindestens einer weiteren Wellenlänge zu reduzieren oder zu blockieren.
In einem Ausführungsbeispiel 19 weist eines der
Ausführungsbeispiele 14 bis 18 optional auf, dass das vorgegebene Material des Materialgemischs eines der folgenden Materialien ist: Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid,
Stickstoffoxid, Stickstoffdioxid.
In einem Ausführungsbeispiel 20 weist eines der
Ausführungsbeispiele 14 bis 19 optional auf, dass das
Materialgemisch gasförmig ist und das Materialgemisch einer Umgebungsluft der Mess-Vorrichtung entspricht.
In einem Ausführungsbeispiel 21 weist eines der
Ausführungsbeispiele 14 bis 20 optional auf, dass das
Materialgemisch gasförmig ist und die Kammer einen
Drucksensor aufweist, der eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen Materialgemisches in der Kammer zu erfassen.
In einem Ausführungsbeispiel 22 weist eines der
Ausführungsbeispiele 14 bis 21 optional auf, dass das
Materialgemisch flüssig ist und das Materialgemisch auf einer Oberfläche der Kammer adsorbiert ist und die Mess-Vorrichtung zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten
Materialgemisches eingerichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel 23 weist eines der Ausführungsbeispiele 14 bis 22 optional auf, dass die Kammer ferner eine optische Kavität aufweist, die derart bezüglich der Strahlungsquelle in der Kammer ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität erfüllt und in die optische Kavität passiert. In einem Ausführungsbeispiel 24 weist eines der
Ausführungsbeispiele 14 bis 23 optional auf, dass die Mess- Vorrichtung eine weitere Strahlungsquelle aufweist, die zu einem Emittieren einer weiteren elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, wobei der Brechungsindex basierend auf der weiteren elektromagnetischen Strahlung gemessen wird.
In einem Ausführungsbeispiel 25 weist eines der
Ausführungsbeispiele 14 bis 24 optional auf, dass die Mess- Vorrichtung einen optischen Resonator, der positionsabhängig unterschiedliche Eigenfrequenzen für eine vorgegebene
elektromagnetische Strahlung aufweist, und eine Fotodiode, die zum Erfassen der Position der elektromagnetischen
Strahlung in dem optischen Resonator angeordnet und
eingerichtet ist, aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel 26 weist eines der
Ausführungsbeispiele 14 bis 25 optional auf, dass die Mess- Vorrichtung eine der folgenden Vorrichtungen aufweist oder darauf basiert: ein Interferometer, ein Eilipsometer, ein Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer, ein Refraktometer. BEZUGSZEICHENLISTE
100, 200 Vorrichtung
102 Strahlungsquelle
104 elektromagnetischer Strahlung
106 Kammer
108 optisches Fenster
110 Materialgemisch
112 Mess-Vorrichtung
114 Auswerteeinheit
116 Datenfluss
202 Probenhalter
302 optische Kavität
304 weitere Strahlungsquelle
306 Sensor
308 optischer Resonator
310 Aufsicht optischer Resonator
320 Seitenansicht optischer Resonator
312 erster Bereich
314 zweiter Bereich
402 Interferometer
500 Verfahren
Sl, S2, S3, S4, S5 - Verfahrensschritte

Claims

PATENTA S PRÜCHE
Verfahren (500) zum Untersuchen eines Materialgemisches (110), das Verfahren (500) aufweisend:
• mindestens ein teilweises Füllen (Sl) einer Kammer (106) mit dem Materialgemisch (110), wobei das
Materialgemisch (110) einen Brechungsindex und ein vorgegebenes Material aufweist;
• ein Bestrahlen (S2) des Materialgemisches (110) in der Kammer (106) mit einer elektromagnetischen
Strahlung (104) mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge mittels einer Strahlungsquelle (102), wobei die Strahlungsquelle (102) derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des
Materialgemisches (110) ist, das die
elektromagnetische Strahlung (102) der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, und
• ein direktes oder indirektes Messen (S3) des
Brechungsindexes des Materialgemisches (110) mittels einer Mess-Vorrichtung (112).
Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend ein Erfassen (S4) einer Änderung des gemessenen
Brechungsindexes des Materialgemisches (110) bezügl eines Referenzwerts mittels einer Auswerteeinheit.
Vorrichtung (100, 200) zum Untersuchen eines
Materialgemisches (110), die Vorrichtung (100, 200) aufweisend :
• eine Strahlungsquelle (102), die zum Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung (104) mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist,
• eine Kammer (106) mit dem Materialgemisch (110),
• wobei das Materialgemisch (110) einen
Brechungsindex aufweist, und wobei das
Materialgemisch (110) ein vorgegebenes Material aufweist ; • wobei die Strahlungsquelle (102) derart
eingerichtet ist, dass das vorgegebene Material das einzige oder im Wesentlichen das einzige Material des Materialgemisches (110) ist, das die
elektromagnetische Strahlung (104) der vorgegebenen
Wellenlänge absorbiert, und
• eine Mess-Vorrichtung (112) zum Messen des
Brechungsindexes des Materialgemisches (110).
Vorrichtung (100, 200) gemäß Anspruch 3,
eine Auswerteeinheit (114) zum Erfassen einer Änderung des gemessenen Brechungsindexes des Materialgemisches (110) .
Vorrichtung (100, 200) gemäß Anspruch 3 oder 4,
wobei die Kammer (106) mit der Strahlungsquelle (102) derart optisch gekoppelt ist, dass die
elektromagnetische Strahlung (104) mit der mindestens einen vorgegebenen Wellenlänge von dem Materialgemisch (110) in der Kammer (106) absorbierbar ist.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5 ,
wobei die Strahlungsquelle (102) ein Laser oder eine Laser-Diode ist.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6,
ferner aufweisend einen optischen Filter, der
durchlässig für elektromagnetische Strahlung (104) der vorgegebenen Wellenlänge eingerichtet ist und
eingerichtet ist, die Transmission elektromagnetischer Strahlung mindestens einer weiteren Wellenlänge
reduziert oder blockiert.
8. Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7 ,
wobei das vorgegebene Material des Materialgemischs ein Material ist, aus der Gruppe der Materialien:
· Sauerstoff,
• Kohlenstoffdioxid,
• Stickstoffoxid,
• Stickstoffdioxid.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8 ,
wobei das Materialgemisch (110) gasförmig ist und das Materialgemisch (110) einer Umgebungsluft der Mess- Vorrichtung (112) entspricht.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9,
wobei das Materialgemisch (110) gasförmig ist und die Kammer (106) einen Drucksensor aufweist, der
eingerichtet ist, den Druck des gasförmigen
Materialgemisches (110) in der Kammer (106) zu erfassen.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8 ,
wobei das Materialgemisch (110) flüssig ist und das Materialgemisch (110) auf einer Oberfläche der Kammer (106) adsorbiert ist und die Mess-Vorrichtung (112) ist zum Messen eines Brechungsindexes des adsorbierten
Materialgemisches (110) eingerichtet ist.
Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 11,
die Kammer (106) ferner aufweisend eine optische Kavität (302), die derart bezüglich der Strahlungsquelle (102) in der Kammer (106) ausgebildet ist, dass die
elektromagnetische Strahlung (102) mit der vorgegebenen Wellenlänge eine Resonanzbedingung der optischen Kavität erfüllt und in die optische Kavität (302) passiert. Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 12,
wobei die Mess-Vorrichtung (112) eine weitere
Strahlungsquelle (304) aufweist, die zu einem Emittieren einer weiteren elektromagnetischen Strahlung
eingerichtet ist, wobei der Brechungsindex basierend auf der weiteren elektromagnetischen Strahlung (104) gemessen wird. 14. Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3
bis 13,
wobei die Mess-Vorrichtung (112) einen optischen
Resonator (308), der positionsabhängig unterschiedliche Eigenfrequenzen für eine vorgegebene elektromagnetische Strahlung aufweist, und eine Fotodiode (306), die zum
Erfassen der Position der elektromagnetischen Strahlung (104) in dem optischen Resonator (308) angeordnet und eingerichtet ist, aufweist. 15. Vorrichtung (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 3
bis 14,
wobei die Mess-Vorrichtung (112) eine Vorrichtung (100, 200) aufweist oder darauf basiert, aus der Gruppe der Vorrichtungen :
ein Interferometer ;
ein Eilipsometer;
ein Oberflächenplasmonenresonanzspektrometer, ein
Refraktometer .
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OWENS M A ET AL: "A PHOTOTHERMAL INTERFEROMETER FOR GAS-PHASE AMMONIA DETECTION", ANALYTICAL CHEMISTRY, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, US, vol. 71, no. 7, 1 April 1999 (1999-04-01), pages 1391 - 1399, XP000825721, ISSN: 0003-2700, DOI: 10.1021/AC980810H *

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