WO2020002299A1

WO2020002299A1 - Vorrichtung und verfahren zum nachweisen eines stoffes

Info

Publication number: WO2020002299A1
Application number: PCT/EP2019/066780
Authority: WO
Inventors: Frank KÜHNEMANN; Jens KIESSSLING; Markus Leidinger; Sebastian Wolf; Tobias TRENDLE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: DE102018115420B4; DE102018115420A1

Abstract

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen eine Vorrichtung zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas auszugestalten mit einem Gasvolumen für das Gas, einer Pumplichtquelle, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Pumplichtquelle elektromagnetische Pumpstrahlung mit einer Pumpwellenlänge erzeugt und die Pumpstrahlung durch das Gasvolumen transmittiert wird, einer Abfragelichtquelle, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Abfragelichtquelle elektromagnetische Abfragestrahlung mit einer Abfragewellenlänge erzeugt und die Abfragestrahlung derart durch das Gasvolumen transmittiert wird, dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung einen Strahlpfad der Pumpstrahlung in dem Gasvolumen in mindestens einem Schnittpunkt schneidet, und einem Detektor für die Abfragestrahlung, wobei der Detektor derart angeordnet ist, dass mit dem Detektor eine Intensität der Abfragestrahlung nach der Transmission durch das Gasvolumen erfassbar ist, wobei die Abfragewellenlänge von der Pumpwellenlänge verschieden ist, wobei die Abfragestrahlung innerhalb des Gasvolumens eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung schneiden, und mindestens einen ungestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem ungestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung und ein zweiter, aus dem gestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung auf dem Detektor zur Interferenz gebracht werden. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung weiterhin einen für die Pumpstrahlung resonanten Resonator auf, wobei der Schnittpunkt in dem Resonator angeordnet ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Nachweisen eines Stoffes

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas. Die Vorrichtung sowie das Verfahren können ferner auch zu Bestimmung einer Stoffkonzentration des Stoffes in dem Gas dienen. Die Vorrichtung wird im Folgenden auch als Sensor bezeichnet.

Für den Nachweis eines Stoffes müssen die dazu verwendeten Vorrichtungen und Verfahren eine hohe Sensitivität aufweisen. Insbesondere wenn es sich um sogenannte Spurengase handelt, die - bezogen auf das Gasvolumen - einen Volumenanteil im PPB bis PPT-Bereich (10 ⁹-10 ¹²) besit zen, sind besonders sensitive Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der Stoffkonzentration dieser Spurengase notwendig.

Der Nachweis von Spurengasen und die Bestimmung der Stoffkonzentration von Spurengasen findet in vielen Bereichen Anwendung, beispielsweise in der Analytik, der Medizintechnik und auch bei dem Aufspüren von Leckagen und Kontaminationen, z. B. bei der Überwachung sensibler Gas leitungssysteme.

Aus dem Stand der Technik sind Sensoren bekannt, bei denen zum Nachweis eines Spurengases bzw. zur Bestimmung der Stoffkonzentration von Spurengasen sogenannte Langwegzellen zum Einsatz kommen. Dabei wird eine Laserstrahlung, deren Wellenlänge einer Absorptionswellen länge des zu bestimmenden Spurengases entspricht, über eine möglichst lange Interaktionslänge einer als Langwegzelle bezeichneten Gaszelle durch ein Gasvolumen transmittiert, so dass auf Basis des durch die Absorption bedingten Intensitätsverlusts des Laserstrahls auf die Konzentra tion des Spurengases rückgeschlossen werden kann.

Alternativ können auch photothermische Verfahren wie beispielsweise die photothermische com- mon-path Interferometrie (PCI) verwendet werden, um ein Spurengas nachzuweisen bzw. dessen Stoffkonzentration zu bestimmen.

Im Zuge der voranschreitenden Digitalisierung und der damit verbundenen Miniaturisierung von Sensoren besteht ein hoher Bedarf an miniaturisierbaren Sensoren zum Nachweis von Spurenga sen bzw. zur Bestimmung der Stoffkonzentration von Spurengasen. Mit miniaturisierten Sensoren könnten beispielsweise komplexe und sensible Gasleitungssysteme umfassender überwacht wer den, da sich miniaturisierte Sensoren in vielen Bereichen solcher Systeme installieren lassen. Al lerdings ist mit keinem der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bzw. mit keiner der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen eine Miniaturisierung auf sinnvolle Weise möglich.

Das Prinzip von Sensoren mit Langwegzellen, bei denen der durch die Absorption durch Spuren gase bedingte Intensitätsverlust einer Laserstrahlung gemessen wird, besteht gerade darin, dass für eine messbare Absorption extrem lange Interaktionslängen benötigt werden, so dass die mini mal möglichen Abmessungen solcher Sensoren im Bereich von 10 cm³ liegen. Wünschenswert wären deutlich kleinere Abmessungen.

Bei den photothermischen Verfahren ist eine Miniaturisierung der verwendeten Sensoren bisher nicht möglich, da für diese Verfahren sehr leistungsstarke Laserquellen benötigt werden. Die Ab messungen leistungsstarker Laserquellen sind wiederum deutlich größer als die gewünschte ma ximale Abmessung. Zudem sind leistungsstarke Laserquellen sehr teuer.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochsensitive, d.h. nachweisempfindliche, miniaturisierbare und gleichzeitig kostengünstige Vorrichtung bzw. ein hochsensitives, kostengüns tiges und eine Miniaturisierung einer verwendeten Vorrichtung erlaubendes Verfahren zum Nach weisen eines Stoffes in einem Gas bzw. Bestimmen einer Stoffkonzentration eines Stoffes in einem Gas bereitzustellen, die bzw. das die genannten Probleme löst oder zumindest verringert.

Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas mit einem Gasvolumen für das Gas, einer Pumplichtquelle, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Pumplichtquelle elektromagnetische Pumpstrahlung mit einer Pumpwellenlänge erzeugt und die Pumpstrahlung durch das Gasvolumen transmittiert wird, einer Abfragelichtquelle, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Abfragelichtquelle elektromagnetische Abfragestrahlung mit einer Abfragewellenlänge erzeugt und die Abfragestrah lung derart durch das Gasvolumen transmittiert wird, dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung ei nen Strahlpfad der Pumpstrahlung in dem Gasvolumen in mindestens einem Schnittpunkt schnei det, und einem Detektor für die Abfragestrahlung, wobei der Detektor derart angeordnet ist, dass mit dem Detektor eine Intensität der Abfragestrahlung nach der Transmission durch das Gasvolu men erfassbar ist, wobei die Abfragewellenlänge von der Pumpwellenlänge verschieden ist, wobei die Abfragestrahlung innerhalb des Gasvolumens eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung schneiden, und mindestens einen ungestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem ungestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung und ein zweiter, aus dem gestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung auf dem Detektor zur Interferenz gebracht werden. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung weiterhin einen für die Pumpstrahlung resonanten Resonator auf, wobei der Schnittpunkt in dem Resonator angeordnet ist.

Punkte, die in dem gestörten Bereich enthalten sind, sind Schnittpunkte.

Unter einem Gas ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere auch ein Gasgemisch zu verstehen, das sich aus unterschiedlichen Stoffen zusammensetzt. Unter einem Gasvolumen ist das Volumen zu verstehen, das von einem Gas bzw. Gasgemisch eingenommen wird.

Unter einem Detektor ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Detektor zum Erfassen einer Intensität einer elektromagnetischen Strahlung zu verstehen. Zum Beispiel Photodioden oder CCD-Kameras können als Detektoren verwendet werden.

Aus Gründen der Anschaulichkeit wird in der folgenden Beschreibung der Begriff Spurengas äquivalent zu dem Begriff Stoff verwendet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist allerdings nicht auf den Nachweis von Spurengasen bzw. die Bestimmung der Stoffkonzentration von Spurengasen beschränkt, sondern umfasst den Nachweis jedweden Stoffes bzw. die Bestimmung der Stoffkonzentration jedweden Stoffes, der in einem Gas Vorkommen kann.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Gasvolumens in einem für die Pumpstrahlung resonanten Resonator wird die Leistung der Pumplichtquelle effizienter genutzt als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen. Dadurch kann beispielsweise ein Laser mit einer geringen oder einer durchschnittlichen Ausgangsleistung als Pumplichtquelle verwendet werden. Solche Laser haben deutlich kleinere räumliche Abmessungen als die im Stand der Technik sonst für diese Zwecke verwendeten leistungsstarken Laser. Somit kann eine Miniaturisierung des Spurengassensors bei gleichbleibender Sensitivität des Sensors verwirklicht werden.

Laser mit geringer oder mittlerer Leistung sind zudem auch kostengünstig verfügbar. Durch die erfindungsgemäße, überraschenderweise besonders einfache Lösung können Spurengassensoren mit Abmessungen < 1 cm³ gefertigt werden, die dennoch eine derartig hohe Sensitivität aufweisen, so dass auch Stoffe mit einem relativen Volumenanteil von 10 ¹² erfassbar sind. Darüber hinaus ist der Detektor unabhängig von der Pumpstrahlung. Durch alleinige Variation der Pumpstrahlung können daher unterschiedliche Wellenlängen und folglich unterschiedliche Stoffe erfasst bzw. deren Stoffkonzentrationen bestimmt werden.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch als photothermisches Common-path-lnterferome- ter bezeichnet werden, bei dem das Gasvolumen erfindungsgemäß innerhalb eines für die Pump strahlung resonanten Resonators angeordnet ist.

Bei einem photothermischen Common-path-lnterferometer wird das betreffende Gasvolumen mit der Pumpstrahlung bestrahlt, deren Wellenlänge einer Absorptionswellenlänge des zu bestimmen den Spurengases entspricht. Entweder kollinear oder unter einem definierten Winkel zur Pumpla serstrahlung wird dann die Abfragestrahlung durch das zu messende Gasvolumen transmittiert, so dass sich die Pumpstrahlung und die Abfragestrahlung innerhalb des Gasvolumens schneiden, d.h. überlappen.

Unter einer Absorptionswellenlänge eines Gases ist jede Wellenlänge zu verstehen, bei welcher der Absorptionswirkungsquerschnitt des Gases ein lokales Maximum aufweist. Unter einer Absorp tionswellenlänge sind darüber hinaus auch die Wellenlängen zu verstehen, bei denen der Absorp tionswirkungsquerschnitt in der näheren spektralen Umgebung eines lokalen Maximums im Ver gleich zum Grundniveau des Absorptionswirkungsquerschnitts erhöht ist. Mit anderen Worten, auch Wellenlängen, deren spektrale Lage mit der Flanke eine Peaks des Absorptionswirkungs querschnitts korrespondieren, stellen zusätzlich zu den Wellenlängen, deren spektrale Lage mit einem lokalen Maximum - der Spitze des Peaks - des Absorptionswirkungsquerschnitts korres pondiert, Absorptionswellenlängen im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.

Durch die von den Spurengasen verursachte Absorption der Pumpstrahlung wird das Gas erwärmt. Die Stärke der Erwärmung kann anhand der Intensität der durch das Gasvolumen transmittierten und hinter dem Ort der Erwärmung erfassten Abfragestrahlung bestimmt werden. Kommt es in Folge von Absorption zu einer thermischen Erwärmung innerhalb des Gases in dem Bereich der Pumpstrahlung und somit zu einer Brechungsindexänderung im Bereich der Pumpstrahlung, so wird eine thermische Linse ausgebildet. Die Abfragestrahlung wird in dem Bereich, in dem sich Abfragestrahlung und Pumpstrahlung überlappen, gestört. Für die photothermische Common- path-lnterferometrie muss die Abfragestrahlung derart ausgebildet sein, dass die Abfragestrahlung in einer zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung senkrechten Querschnittsfläche sowohl einen gestörten als auch einen ungestörten Bereich aufweist. Dadurch entstehen in einer Quer schnittsfläche ein gestörter und ein ungestörter Abfragestrahl, wobei der gestörte Strahlungsteil einen anderen Brechungsindex erfährt als der ungestörte Strahlungsanteil. Der gestörte Strahlungsteil der Abfragestrahlung besitzt im Vergleich zum ungestörten Strahlungs teil, der sich aus dem Teil der Abfragestrahlung ergibt, der innerhalb der Querschnittsfläche nicht mit der Pumpstrahlung überlappt, eine Phasenverschiebung. Da allerdings sowohl die ungestörte als auch die gestörte Abfragestrahlung aus derselben Lichtquelle bzw. demselben ursprünglichen Lichtbündel entstammen, sind die beiden Strahlungen kohärent zueinander. Somit kommt es durch die Phasenverschiebung zur Interferenzbildung. Daraus resultierende Interferenzmuster können in einem gewissen Abstand zum Gasvolumen von einem Intensitätsdetektor bestimmt werden. Aus den Interferenzstrukturen, aber auch bereits aus der Intensität eines Helligkeitsmaximums der In terferenzstruktur kann wiederum auf die Temperaturerhöhung bzw. die Absorption innerhalb des Gasvolumens geschlossen werden, woraus wiederum das Vorhandensein bzw. die Stoffkonzent ration des Spurengases bestimmt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abfragelichtquelle ein Laser und die Abfragestrah lung wird mit einem fokussierenden Element derart auf den Detektor fokussiert, dass der mindes tens eine Schnittpunkt auf den Detektor abgebildet wird. Dadurch wird der Schnittbereich von Ab fragestrahlung und Pumpstrahlung scharf auf den Detektor abgebildet. Ohne eine solche Fokus sierung kann die Interferenz im Fernfeld verschmieren, was eine Detektion erschwert. Unter einem fokussierenden Element ist beispielweise eine Linse oder ein Objektiv zu verstehen.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein Gasbehälter für das Gas vorgesehen, wobei der Gasbe hälter das Gasvolumen begrenzt. Ein solcher Gasbehälter ermöglicht ist, bestimmte Gas-Proben bei im Wesentlichen gleichbleibenden Rand- und Umgebungsbedingungen (Flussgeschwindigkeit, Dichte, etc.) zu untersuchen.

Unter einem Gasbehälter ist im Sinne der vorliegenden Erfindung jede ein Gasvolumen eingren zende Einrichtung zu verstehen. Die vorliegende Erfindung umfasst daher sowohl Ausführungsfor men mit Gasbehälter als auch Ausführungsformen ohne Gasbehälter. Bei Spurengassensoren, die Spurengase in der Erdatmosphäre detektieren sollen, handelt es sich oft um Ausführungsformen ohne gesonderten Gasbehälter. Das Atmosphärengas - die Luft - durchströmt dabei jeden über eine offene Verbindung mit der Umgebung verbundenen freien Raum des Sensors. Das Gasvolu men wird daher dabei nicht von einer gesonderten Einrichtung begrenzt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform begrenzt der Gasbehälter ein Gasvolu men, das kleiner als 10 cm³ , bevorzugt kleiner als 1 cm³ und besonders bevorzugt keiner als 0,1 cm³ ist. Eine dementsprechend miniaturisierte Vorrichtung kann auf vorteilhafte Weise zur Bestim mung von Stoffkonzentrationen eines Spurengases an vielen Orten und insbesondere an beson ders unzugänglichen Orten verwendet werden. Bei Ausführungsformen ohne Gasbehälter nimmt die gesamte Vorrichtung vorzugsweise ein Volu men von weniger als 10 cm³, besonders bevorzugt weniger als 1 cm³ und am besten weniger als 0, 1 cm³ ein.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein aktives Verstärkermedium in dem Resonator für die Pumpstrahlung angeordnet, so dass die Pumpstrahlung verstärkt wird. Dadurch wird auf vorteil hafte Weise die Effizienz der Vorrichtung erhöht, da die Pumpstrahlung nicht nur resonant überhöht wird, sondern auch aktiv innerhalb des Resonators verstärkt wird. Als aktives Verstärkungsmedium kommt beispielsweise eine Halbleiterdiode, ein Quantenkaskadenlaser oder ein Interband kaska- denlaser in Frage. Bei dieser Ausführungsform bildet die Kombination aus aktivem Verstärkerme dium und Resonator die Pumplichtquelle. Durch die resonante Überhöhung innerhalb des Resona tors entsteht dabei eine Laserstrahlung als Pumpstrahlung.

Alternativ kann allerdings auch eine von dem Resonator unabhängige und beabstandete Pump lichtquelle vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung einen Laser aufweisen, der eine Pumpstrahlung erzeugt, die dann in den - von dem Laser prinzipiell unabhängigen - Resonator eingekoppelt wird. Die Pumplichtquelle ist in diesem Fall eine externe Pumplichtquelle.

Ein Vorteil der Miniaturisierung besteht prinzipiell darin, dass eine Vielzahl von Sensoren an vielen unterschiedlichen Orten/Positionen verwendet und dadurch ein umfassenderes Bild des Ist-Zu stands eines Systems abgebildet werden kann, so dass möglichst schnell und effizient auf Ände rungen des Systems - z.B. einen ungewünschten Austritt eines Gases - reagiert werden kann, um die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Prozessen und Vorrichtungen zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil der Miniaturisierung besteht darin, dass eine Vorrichtung sehr einfach mobil eingesetzt wer den kann.

In einer Ausführungsform ist die Pumplichtquelle ein Dauerstrichlaser. Dauerstrichlaser sind be sonders preiswert kommerziell erhältlich. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Re sonator wird der Einsatz eines preiswerten Dauerstrichlasers bei einem photothermischen Detek tionsverfahren aber erst ermöglicht, da aufgrund des Resonators nicht zwingend Laser mit hoher Ausgangsleistung verwendet werden müssen, um die notwendige Sensitivität des Sensors zu be wirken.

Alternativ können als Pumplichtquelle aber auch schnell gepulste quasi-cw Laser oder langsam gepulste, auf die direkte Modulation des von dem Detektor empfangenen Signals gerichtete Laser zum Einsatz kommen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Pumplichtquelle derart ausgebildet, dass die Pumpwellenlänge einstellbar ist. Dies ist vorteilhaft, da durch die Einsteilbarkeit eine Vorrichtung zum Nachweis unterschiedlicher Spurengase bzw. zur Bestimmung der Stoffkonzentration unterschiedlicher Spurengase verwendet werden kann. Zu diesem Zweck muss nur eine jeweilige Absorptionswellenlänge des Spurengases eingestellt werden, für das der Nachweis erbracht bzw. die Stoffkonzentration bestimmt werden soll. Eine solche Absorptionswellenlänge ist eine Wellenlänge, die einem Peak, d.h. einem lokalen Maximum oder einer Peak-Flanke, des Absorptionswirkungsquerschnitts des Stoffes, zugeordnet ist.

In einer Ausführungsform weist die Pumplichtquelle eine Modulationseirichtung auf, die so ausgestaltet und angeordnet ist, dass mit der Modulationseinrichtung zumindest ein Parameter der Pumpstrahlung, insbesondere die Intensität oder die Wellenlänge der Pumpstrahlung, mit einer Referenzfrequenz modulierbar ist, so dass die Erfassung der Abfragestrahlung beispielsweise mit einem auf die Referenzfrequenz gelockten Lock-in-Verstärker erfolgen kann.

Durch die Modulationseinrichtung wird die durch das Spurengas absorbierte Leistung periodisch mit der Referenzfrequenz moduliert. Entsprechend weist die von dem Detektor erfasste Intensität der Abfragestrahlung ebenfalls eine Modulation mit der Referenzfrequenz auf. Dies ist vorteilhaft, da damit eine Separation des zu bestimmenden Intensitätssignals von ebenfalls vorhandenen Störsignalen ermöglicht wird. Folglich verbessert sich durch die Modulationseinrichtung die Sensitivität der Vorrichtung. Zur Separation kann beispielswiese ein mit dem Detektor verbundenes Bandpassfilter mit einer schmalen Bandbreite, dessen Zentralfrequenz der Referenzfrequenz entspricht, oder ein auf die Referenzfrequenz gelockter Lock-in-Verstärker verwendet werden. Alternativ kann eine dementsprechende Filterung auch im Zuge einer digitalen Signalverarbeitung des Intensitätssignals erfolgen.

Die Modulationseinrichtung ist in einer Ausführungsform ein mechanischer Chopper oder ein Treiber für den Strom der Laserdiode. Eine Modulationseinrichtung kann aber auch in einer Einrichtung zur Einstellung der Länge des Resonators bestehen. Es kann sich bei der Modulationseinrichtung auch um einen MEMS-Spiegel, einen EOM (Elektro-optischer Modulator) oder AOM (Akusto-opti- scher Modulator) handeln. Ferner kann eine Modulation auch durch einen als Pumplichtquelle ausgebildeten gepulsten Laser bewirkt werden, sodass in diesem Fall die Pumplichtquelle selber die Modulationseinrichtung darstellt.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Pumplichtquelle eine Modulationseinrichtung auf, welche in dem Resonator angeordnet ist und welche die Pumpstrahlung derart moduliert, dass die Pumpwellenlänge mit einer Referenzfrequenz zwischen einer minimalen und einer maximalen Pumpwellenlänge variiert. Dabei ist vorzugsweise die Absorptionsfrequenz des zu erfassenden Stoffes größer oder gleich der minimale Pumpwellenlänge und kleiner oder gleich der maximalen Pumpwellenlänge. Die Modulation der Pumpwellenlänge ist besonders vorteilhaft in einer Ausführungsform, in welcher der Gasbehälter in dem Laserresonator des die Pumplichtquelle bildenden Lasers angeordnet ist, da eine Intensitätsmodulation die Stabilität des Lasers deutlich stärker beeinflusst als die Wellenlängenmodulation.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine mit dem Detektor über eine zur Datenübertragung geeigneten Verbindung verbundene Rechnereinheit vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass sie aus der von dem Detektor erfassten Intensität der Abfragestrahlung den Nachweis des Stoffes bzw. die Stoffkonzentration des Stoffes bestimmt. Die Rechnereinheit ist bevorzugt zusammen mit den anderen Bestandteilen der Vorrichtung ausgebildet, so dass die Vorrichtung inklusive Rechnereinheit einen räumlich abgeschlossenen Sensor bildet, der die Stoffkonzentration des Stoffes als digitales Signal ausgibt bzw. auf einer digitalen oder analogen Anzeigeeinrichtung anzeigt oder auf sonstige Weise kundtut, z.B. als Datenpaket an einen Server sendet. Die Rechnereinheit kann aber auch von den restlichen Elementen der Vorrichtung beabstandet angeordnet sein und über ein Datenkabel oder eine kabellose Datenverbindung mit dem Detektor verbunden sein.

Beansprucht wird auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Spurengasen mit einer maximalen Messungenauigkeit bei einer Messung des Volumenanteil von 10 ⁹ oder weniger. Die maximale Messungenauigkeit entspricht dabei dem minimal detektierbaren Volumenanteil. Beispielsweise finden bei einem Volumenanteil eines Spurengases von 10 ⁹ oder weniger bisher nur Vorrichtungen Anwendung, die nicht in dem Maße miniaturisierbar sind wie die vorliegende erfindungsgemäße Vorrichtung. Somit findet die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere in Bereichen mit einer hohen Anforderung an die Sensitivität Anwendung.

Unter einer hohen Sensitivität eines Sensors ist im Sinne der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft eines Sensors zu verstehen, wonach Stoffe mit einem Volumenanteil von 10 ⁹ oder weniger von dem Sensor erkannt werden können.

Darüber hinaus findet die erfindungsgemäße Vorrichtung auch Verwendung zum Aufspüren von Leckagen und Kontaminationen. Insbesondere bei komplexen Gasleitungssystemen kann mit miniaturisierten Sensoren, die beispielsweise jeweils nur ein Volumen von < 1 cm³ einnehmen, ein umfassendes und vollständiges Abbild des Ist-Zustands der Spurengasverteilung im Bereich um die Gasleitungen erstellt werden. Dies wird erst durch die Miniaturisierbarkeit des erfindungsgemäßen Sensors ermöglicht.

Zudem umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas mit folgenden Schritten: a) Erzeugen einer elektromagnetischen Pumpstrahlung mit einer Pumpwellenlänge, b) Erzeugen einer elektromagnetischen Abfragestrahlung mit einer Abfragewellenlänge, die von der Pumpwellenlänge verschieden ist,

c) Bestrahlen des Gases mit der Pumpstrahlung und der Abfragestrahlung, so dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung einen Strahlpfad der Pumpstrahlung in dem Gas in mindestens einem Schnittpunkt derart schneidet, dass die Abfragestrahlung innerhalb des Gasbehälters eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung schneiden, und mindestens einen ungestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung und die Pumpstrahlung nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem ungestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung und ein zweiter, aus dem gestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung miteinander interferieren,

d) Erfassen einer Intensität der Abfragestrahlung, nachdem die Abfragestrahlung mit dem Gas wechselgewirkt hat,

e) Nachweisen des Stoffes aus der in Schritt d) erfassten Intensität der Abfragestrahlung, wobei das Verfahren erfindungsgemäß weiterhin den Schritt aufweist:

f) Resonantes Überhöhen der Pumpstrahlung mit einem Resonator, wobei der Schnittpunkt in dem Resonator angeordnet ist.

Bevorzugt werden die Verfahrensschritte a) bis e) in einer zeitlichen Reihenfolge durchgeführt, die der Reihenfolg der Auflistung a) bis e) entspricht.

In einer Ausführungsform weist das Verfahren zusätzlich einen Schritt g) auf, der nach Schritt d) erfolgt:

g) Bestimmen der Stoffkonzentration des Stoffes aus der in Schritt d) erfassten Intensität der Abfragestrahlung,

In einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Stoff einen für die Absorption von elektromagnetischer Strahlung wellenlängenabhängigen Absorptionswirkungsquerschnitt und eine Absorptionswellenlänge auf, wobei der Absorptionswirkungsquerschnitt als Funktion der Wellenlänge bei der Absorptionswellenlänge ein Maximum aufweist, wobei die Pumpwellenlänge gleich der Absorptionswellenlänge ist. Die Wellenlänge des Pumplasers soll folglich bei dieser Ausführungsform gerade so gewählt werden, dass sie einer Wellenlänge entspricht, bei der ein lokales Maximum des Absorptionswirkungsquerschnitts des Stoffes besteht. Bevorzugt wird allerdings die Absorptionswellenlänge eines Stoffes gewählt, für die der Wirkungsquerschnitt maximal ist, d. h. ein globales Maximum aufweist. In einer Ausführungsform weist das Verfahren zusätzlich oder alternativ zu Schritt g) die Schritte auf:

h) Variieren der Pumpwellenlänge mit einer Referenzfrequenz in einem Bereich von einer mi nimalen bis zu einer maximalen Pumpwellenlänge, wobei eine Absorptionswellenlänge des Gases größer oder gleich der minimalen und kleiner oder gleich der maximalen Pumpwel lenlänge ist,

i) Bestimmen eines die Referenzfrequenz aufweisenden Teilsignals aus der in Schritt d) er fassten Intensität.

Mit diesen Schritten wird der zu erfassenden Intensität die Referenzfrequenz aufgeprägt. Dadurch lässt sich die zu erfassende Intensität, welche das Nutzsignal darstellt, besonders einfach von in der Regel ebenfalls vorhandenen Störsignalen separieren. Somit wird die Sensitivität des Verfah rens weiter verbessert.

Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Pumpstrahlung eine optische Leistung besitzt, die größer ist als eine optische Leistung der Abfragestrahlung, da die Pumpstrahlung deutlich mehr Leistung benö tigt als die Abfragestrahlung, um die notwendige Absorption im Gas zu bewirken.

Darüber hinaus kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ zu den Schritten h) und i) die folgen den weiteren Schritte umfassen:

j) Vergleichen der in Schritt g) bestimmten Stoffkonzentration mit einem Grenzwert und k) Auslösen eines Warnsignals, falls das in Schritt h) durchgeführte Vergleichen zeigt, dass die Stoffkonzentration über dem Grenzwert liegt.

Diese Verfahrensschritte j) und k) sind bevorzugt als computerimplementiertes Verfahren ausge bildet. Dadurch kann ein automatisierter Prozess zur Überwachung von Grenzwerten verwirklicht werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der zugehöri gen Figuren. Es zeigt:

Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Gasbehälter, Figur 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Gasbehälter. Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 , bei der das Prinzip der photothermischen Com- mon-path-lnterferometrie verwendet wird. Zunächst wird dabei eine Pumpstrahlung 13 mittels ei nes Laser mit einem aktiven Verstärkungsmedium 10, hier einer Laserdiode, und einem aus den Spiegeln 5', 5", 6' und 6" bestehenden Resonator erzeugt. In der hier gezeigten Ausführungsform sind alle Resonatorspiegel 5‘, 5“, 6‘, 6“ hochreflektierend, so dass im Resonator die maximal mög liche Leistung zur Verfügung steht. Zwischen dem Spiegel 5' und dem Spiegel 5" ist die Pump strahlung folglich„gefangen“.

Ein Gasbehälter 2 ist nun innerhalb des Resonators in der Nähe des zweiten Endspiegels 5" an geordnet, so dass die im Resonator oszillierende Pumpstrahlung 13 durch den Gasbehälter 2 transmittiert wird. Zu diesem Zweck weist der Gasbehälter 2 an seinen beiden zur Pumpstrahlung 13 ausgerichteten Flanken für die Pumpstrahlung 13 transmittierende und unter dem Brewster- Winkel angeordnete Trennwände 4 auf.

Ist die Wellenlänge der Pumpstrahlung 13 nun derart gewählt, dass sie gleich einer Absorptions wellenlänge eines Stoffes, der Bestandteil des sich in dem Gasbehälter 2 befindlichen Gases ist, so absorbiert der Stoff im Gasbehälter 2 die Pumpstrahlung 13 im Bereich des Strahlpfades der Pumpstrahlung 13. Im Bereich des Strahlpfades der Pumpstrahlung 13 wird das Gas durch die Absorption erwärmt. Diese Temperaturerhöhung hängt dabei auf bekannte und bestimmbare Weise von der Absorptionsrate des absorbierenden Stoffes und somit von der Stoffkonzentration dieses Stoffes in dem Gasgemisch ab.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt nun genau darin, dass der Gasbehälter 2 mit dem Gasgemisch innerhalb des Resonators 5', 5", 6', 6" angeordnet ist. Somit kann mit einem vergleichsweise ge ringen primären Energieaufwand eine hohe Leistung der Pumpstrahlung 13 in dem Gasbehälter erreicht werden, so dass bereits kleinste Mengen an Stoffen, d.h. kleine Stoffkonzentrationen in nerhalb des Gases, ausreichen, damit es zu einer messbaren Absorption und Temperaturerhöhung kommt.

Die Absorption und Temperaturerhöhung wird - wie in Figur 1 - gezeigt mittels einer Abfragestrah lung (photothermisches Common-path-lnterferometrie-Prinzip) erfasst.

Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform wird unter einem Winkel 15 zur Pumpstrahlung 13 eine Abfragestrahlung 14 durch den Gasbehälter 2 transmittiert. Der Gasbehälter 2 weist zu die sem Zweck für die Abfragestrahlung transmittierende und unter dem Brewster-Winkel für die Ab fragewellenlänge angeordnete Trennwände 3 auf. Zudem ist die Abfragestrahlung 14 derart aus gebildet und ausgerichtet, dass im Schnittbereich 1 1 mit der Pumpstrahlung 13 und über die zur Strahlrichtung senkrechte Querschnittsfläche betrachtet die Pumpstrahlung 13 nur teilweise die Querschnittsfläche der Abfragestrahlung 14 schneidet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Querschnittsfläche der Pumpstrahlung 13 im Schnittbereich 1 1 von Pumpstrahlung 13 und Abfra gestrahlung 14 in dem Gasbehälter kleiner als die Querschnittsfläche der Abfragestrahlung 14. Im Profilquerschnitt der Abfragestrahlung 14 senkrecht zur Strahlrichtung existiert somit ein Bereich, in dem die Abfragestrahlung 14 die Pumpstrahlung 13 schneidet (gestörter Bereich), und ein Be reich, in dem dies nicht der Fall ist (ungestörter Bereich). In dem Bereich, in dem die Abfragestrah lung 14 die Pumpstrahlung 13 schneidet, erfährt die Abfragestrahlung 14 durch die durch die Pumpstrahlung 13 verursachte Temperaturerhöhung des Gases einen anderen Brechungsindex als außerhalb dieses Bereichs. Die Abfragestrahlung 14 erfährt über den Strahlquerschnitt hinweg unterschiedliche Phasenverschiebungen, es kommt zur Ausbildung einer thermischen Linse. Dar aus resultiert ein aus dem gestörten Bereich stammender gestörter Teil der Abfragestrahlung und aus dem ungestörten Bereich stammender ungestörter Teil der Abfragestrahlung.

Durch die Phasenverschiebung zwischen gestörtem und ungestörtem Strahlungsteil kommt es da her im weiteren Verlauf zu einer Interferenzbildung. Dies bedeutet, dass das Strahlungsprofil in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Abfragestrahlung Helligkeitsmaxima und -mi nima aufweist. Die Intensität eines Helligkeitsmaximums oder die Intensitäten eines Teils der so entstehenden Interferenzstruktur werden mit einem Photodetektor 9 erfasst.

Aus der erfassten Intensität bzw. den erfassten Intensitäten kann nun der Effekt der thermischen Linse und damit die Temperaturerhöhung des Gases und die der Temperaturerhöhung zugrunde liegende Absorptionsrate innerhalb des Gases bestimmt werden. Aus der Absorptionsrate wird wiederum die Stoffkonzentration des Stoffes bestimmt, der für die Absorption der Pumpstrahlung 13 verantwortlich ist, d.h. der eine Absorptionswellenlänge besitzt, die der Wellenlänge der Pump strahlung 13 entspricht.

Der Pumplaser weist zusätzlich einen Wellenlängenmodulator 7 auf, mit dem die Wellenlänge der Pumpstrahlung 13 variiert und moduliert wird. Die Modulation der Pumpwellenlänge erfolgt mit ei ner Referenzfrequenz in einem Bereich von einer minimalen Wellenlänge bis zu einer maximalen Wellenlänge. Liegt nun eine Absorptionswellenlänge des zu erfassenden Stoffes in diesem Be reich, so weist auch die Intensität der von dem Detektor 9 erfassten Abfragestrahlung 14 eine Modulation mit der Referenzfrequenz auf. Das Signal des Detektors 9 wird mit Hilfe eines auf die Referenzfrequenz gelockten Lock-in-Verstärkers gefiltert. Somit lässt sich das gewünschte Nutz signal, welches eine Modulation mit der Referenzfrequenz aufweist, besser von ggf. vorhandenen Störsignalen trennen.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der kein Gasbehälter vorliegt. Das Gasvolumen befindet sich hierbei zumindest in dem von dem Kreis K markierten Abschnitt. Zudem besteht der Resonator (5‘, 5“) ausschließlich aus zwei gegenüberliegend angeordneten Spiegeln 5‘ und 5“ und ist demnach einfacherer ausgestaltet als bei der in Figur 1 gezeigten Aus führungsform. Darüber hinaus besitzen alle in Figur 2 gezeigten Elemente die gleichen Eigenschaf ten und Funktionen wie bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform.

Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinatio nen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denk barer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.

Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dar gestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche defi niert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.

Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort "aufweisen" nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der bestimmte Artikel "eine" oder "ein" schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unter schiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung/Sensor

2 Gasbehälter

3 Abfragestrahlung transmittierende Trennwand des Gasbehälters 2

4 Pumpstrahlung transmittierende Trennwand des Gasbehälters 2

5', 5" flacher Endspiegel

6', 6" Hohlspiegel

7 Wellenlängenmodulator

8 Abfragelichtquelle

9 Detektor

10 Aktives Verstärkermedium

1 1 Schnittbereich

12 Linse, fokussierendes Element

13 Pumpstrahlung

14 Abfragestrahlung

15 Winkel

K Kreis

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Vorrichtung (1 ) zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas mit

einem Gasvolumen für das Gas,

einer Pumplichtquelle, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Pump lichtquelle elektromagnetische Pumpstrahlung (13) mit einer Pumpwellenlänge er zeugt und die Pumpstrahlung (13) durch das Gasvolumen transmittiert wird, einer Abfragelichtquelle (8), die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Ab fragelichtquelle (8) elektromagnetische Abfragestrahlung (14) mit einer Abfragewel lenlänge erzeugt und die Abfragestrahlung (14) derart durch das Gasvolumen transmittiert wird, dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung (14) einen Strahlpfad der Pumpstrahlung (13) in dem Gasvolumen in mindestens einem Schnittpunkt schneidet, und

einem Detektor (9) für die Abfragestrahlung (14), wobei der Detektor (9) derart an geordnet ist, dass mit dem Detektor (9) eine Intensität der Abfragestrahlung (14) nach der Transmission durch das Gasvolumen erfassbar ist,

wobei die Abfragewellenlänge von der Pumpwellenlänge verschieden ist, wobei die Pumplichtquelle und die Abfragelichtquelle (8) derart eingerichtet und an geordnet sind, dass die Abfragestrahlung (14) innerhalb des Gasvolumens eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung (14) senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfra gestrahlung (14) und die Pumpstrahlung (13) schneiden, und mindestens einen un gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung (14) und die Pump strahlung (13) nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem ungestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) und ein zweiter, aus dem gestörten Be reich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) auf dem Detektor zur Interferenz gebracht werden,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung (1 ) weiterhin einen für die Pumpstrahlung (13) resonanten Resona tor (5‘, 5“, 6‘, 6“) aufweist, wobei der Schnittpunkt in dem Resonator (5‘, 5“, 6‘, 6“) angeordnet ist.

2. Vorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragelichtquelle

(8) ein Laser ist und die Abfragestrahlung (14) mit einem fokussierenden Element derart auf den Detektor fokussiert wird, dass der mindestens eine Schnittpunkt auf dem Detektor

(9) abgebildet wird.

3. Vorrichtung (1 ) gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasbehälter (2) für das Gas vorgesehen ist, wobei der Gasbehälter (2) das Gasvolu men begrenzt.

4. Vorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Gasbehälter begrenzte Gasvolumen nicht größer als 10 cm³, bevorzugt nicht größer als 1 cm³ und be sonders bevorzugt nicht größer als 0,1 cm³ ist.

5. Vorrichtung (1 ) gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktives Verstärkermedium (10) in dem Resonator (5‘, 5“, 6‘, 6“) angeordnet ist, so dass die Pumpstrahlung (13) verstärkt wird.

6. Vorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle ein Dauerstrichlaser ist.

7. Vorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle derart ausgebildet ist, dass die Pumpwellenlänge einstellbar ist.

8. Vorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationseinrichtung vorgesehen ist, die in dem Resonator angeordnet ist und die derart die Pumpstrahlung moduliert, dass die Pumpwellenlänge mit einer Referenzfre quenz in einem Bereich von einer minimalen bis zu einer maximalen Pumpwellenlänge variiert.

9. Vorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Detektor über eine zur Datenübertragung geeigneten Verbindung ver bundene Rechnereinheit vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass sie aus der von dem Detektor (9) erfassten Intensität der Abfragestrahlung (14) den Nachweis des Stoffes bzw. die Stoffkonzentration des Stoffes bestimmt.

10. Verwendung einer Vorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Messung von Spurengasen mit einer maximalen Messungenauigkeit bei einer Messung eines Volumen anteils von 10 ⁹ oder weniger, wobei die maximale Messungenauigkeit dem minimal detek- tierbaren Volumenanteil entspricht.

1 1. Verwendung einer Vorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Aufspüren von Leckagen und Kontaminationen.

12. Verfahren zum Nachweisen eines Stoffes in einem Gas mit folgenden Schritten: a) Erzeugen einer elektromagnetischen Pumpstrahlung (13) mit einer Pumpwel lenlänge,

b) Erzeugen einer elektromagnetischen Abfragestrahlung (14) mit einer Abfrage wellenlänge, die von der Pumpwellenlänge verschieden ist,

c) Bestrahlen des Gases mit der Pumpstrahlung (13) und der Abfragestrahlung (14), so dass ein Strahlpfad der Abfragestrahlung (14) einen Strahlpfad der Pumpstrahlung (13) in dem Gas derart in mindestens einem Schnittpunkt schneidet, dass die Abfragestrahlung (14) innerhalb des Gasvolumens eine zur Richtung des Strahlpfads der Abfragestrahlung (14) senkrechte Querschnitts fläche aufweist, die mindestens einen gestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung (14) und die Pumpstrahlung (13) schneiden, und mindes tens einen ungestörten Bereich aufweist, in dem sich die Abfragestrahlung (14) und die Pumpstrahlung (13) nicht schneiden, sodass ein erster, aus dem unge störten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) und ein zweiter, aus dem gestörten Bereich stammender Teil der Abfragestrahlung (14) miteinander interferieren,

d) Erfassen einer Intensität der Abfragestrahlung (14), nachdem die Abfragestrah lung (14) mit dem Gas wechselgewirkt hat,

e) Nachweisen des Stoffes aus der in Schritt d) erfassten Intensität der Abfrage strahlung (14),

dadurch gekennzeichnet, dass

das Verfahren weiterhin den Schritt aufweist:

f) Resonantes Überhöhen der Pumpstrahlung (13) mit einem Resonator (5‘, 5“, 6‘, 6“), wobei der Schnittpunkt in dem Resonator (5‘, 5“, 6‘, 6“) angeordnet ist.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin den Schritt aufweist

g) Bestimmen der Stoffkonzentration des Stoffes aus der in Schritt d) erfassten Intensität der Abfragestrahlung (14).

14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff einen für die Absorption von elektromagnetischer Strahlung wellenlängenabhängigen Absorptions wirkungsquerschnitt und eine Absorptionswellenlänge aufweist, wobei der Absorptionswir kungsquerschnitt als Funktion der Wellenlänge bei der Absorptionswellenlänge ein Maxi mum aufweist, wobei die Pumpwellenlänge gleich der Absorptionswellenlänge ist.

15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver fahren weiterhin die Schritte aufweist h) Variieren der Pumpwellenlänge mit einer Referenzfrequenz in einem Bereich von einer minimalen bis zu einer maximalen Pumpwellenlänge, wobei eine Ab sorptionswellenlänge des Gases größer oder gleich der minimalen und kleiner oder gleich der maximalen Pumpwellenlänge ist,

i) Filtern eines mit der Referenzfrequenz modulierten Teilsignals aus der in Schritt d) erfassten Intensität.