WO2022180244A1 - Measuring arrangement and method for monitoring a trace gas - Google Patents

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WO2022180244A1
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Stefan Palzer
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Technische Universität Dortmund
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    • G01N2201/121Correction signals
    • G01N2201/1218Correction signals for pressure variations

Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas.
  • the invention relates to a method for monitoring a trace gas using the above measurement arrangement.
  • Trace gases are all gases that occur in the air in smaller proportions than the three main components nitrogen (about 78% by volume), oxygen (about 21% by volume) and argon (about 1% by volume). Trace gases can therefore be non-reactive noble gases such as neon, helium or krypton, or reactive gases that may be environmentally harmful, contribute to the greenhouse effect or - like reactive halogen compounds - contribute to ozone depletion.
  • Laser spectroscopic methods are often used for monitoring trace gases, in which lasers are used to excite the trace gas to be examined, since high sensitivities can be achieved with laser spectroscopic methods.
  • a widely used method for monitoring trace gases is direct tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS).
  • TDLAS direct tunable diode laser absorption spectroscopy
  • a wavelength of the laser light is tuned to one or more characteristic absorption lines of the trace gas to be examined.
  • the particle number density of the trace gas to be examined can be determined from the measured absorption.
  • a laser diode serves as the source of the laser light.
  • the strength of the absorption per molecule is an intrinsic property of the respective molecule and only depends on the temperature.
  • the line shape of an absorption line depends on both the temperature and the pressure of the trace gas to be examined. However, the latter dependency can be eliminated by integration over the absorption line, so that the area under the absorption line is a direct measure of the particle number density of the trace gases to be examined. Accordingly is the Intensity of the signal given only by the optical path length / of the laser light through the trace gas.
  • One way to increase the sensitivity of the method is to extend the absorption distance /. This can also be done, for example, by using optical resonators, with the optical resonator multiplying the effective optical path length by reflecting the laser light back and forth.
  • Two techniques that use an optical cavity are cavity ring-down spectroscopy (CRDS) and cavity-enhanced absorption spectroscopy (CEAS).
  • CRDS cavity ring down spectroscopy
  • detection limits of the trace gas in the ppb to ppq range are possible (10 9 to 10 15 ).
  • a photon lifetime in a resonator is determined with high finesse, the finesse being a key figure of the resonator indicating its spectral resolution.
  • the finesse depends on the losses in the resonator, with high reflectivity of the mirrors of the resonator leading to high finesse.
  • a typical CRDS setup includes a laser that illuminates the optical resonator with high finesse. The laser is then turned off to allow measurement of the exponentially decaying light intensity exiting the resonator.
  • CEAS cavity-enhanced absorption spectroscopy
  • CRDS cavity-enhanced absorption spectroscopy
  • CEAS also coupling laser light into a resonator containing the trace gas.
  • CEAS it is not the decay time of the resonator that is determined, but the intensity of the laser light coupled out of the resonator.
  • Another way to monitor trace gas is photoacoustic laser spectroscopy, which combines optical and acoustic resonators. The fact is used that the sound wave amplitude is directly proportional to the light output and the number of absorbing trace gas molecules.
  • a method that does not require the laser light to be coupled into the optical resonator is intra-cavity absorption spectroscopy.
  • intra-cavity absorption spectroscopy the trace gas to be examined is introduced directly into the beam path of the laser in the laser resonator (cavity) instead of sending the emitted laser beam through the trace gas sample to be examined in an external resonator, as is the case with CRDS and CEAS .
  • Other reasons for the high sensitivity are the large effective optical path length and mode competition within the laser resonator.
  • the basic principle of intra-cavity absorption spectroscopy is as follows:
  • the trace gas sample to be examined is introduced into the laser resonator of the multi-mode laser, which laser typically comprises a laser medium with a wide gain curve and a low-loss resonator. When turning on the laser, the laser starts on many modes at the same time swing.
  • the laser spectrum concentrate on the spectral range of the amplification curve with the highest amplification.
  • weak absorption features of the trace gas can impress signatures in the laser spectrum since they can affect the laser spectrum during many round-trip reflections. Accordingly, the laser spectrum is measured a short time after switching on the laser, whereby this time should be short enough to prevent the laser spectrum from narrowing too much.
  • the disadvantage of intra-cavity absorption spectroscopy is that the laser spectrum has to be analyzed on very short time scales, which leads to complex laboratory setups.
  • a measuring arrangement for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas comprising a laser for generating electromagnetic radiation and a measuring cell for receiving the trace gas, the laser comprising a laser medium and a resonator, the laser medium being arranged in the resonator, the Resonator and/or the measuring cell is designed in such a way that the trace gas can be introduced into the resonator, the laser being designed in such a way that exactly two modes are emitted, one of the two modes having a frequency in the vicinity of an absorption transition of the trace gas, wherein the two modes are in competition with each other, and wherein a) the measurement arrangement comprises a polarization beam splitter, the two modes are two linearly polarized modes and the two linearly polarized modes have orthogonal polarization to one another, or b) the laser medium provides multiple laser transitions, and the two modes n are two modes with different laser wavelengths. Furthermore, according to the invention, a method for monitoring a
  • monitoring the trace gas taking into account the detected intensity of the second portion of the electromagnetic radiation having the second mode.
  • near the absorption transition means that the frequency of one of the two modes, referred to here as the first mode, is spectrally so close to the frequency of the absorption transition of the trace gas that by changing the frequency of the first mode, the first mode can scan the absorption spectrum of the trace gas.
  • the laser is designed in such a way that exactly two competing modes are emitted, with one of the two modes, namely the first mode, having a frequency close to the absorption transition of the trace gas.
  • the trace gas is introduced into the resonator.
  • the frequency of the first mode scans the absorption spectrum of the trace gas and thus the first mode corresponds in frequency to the frequency of the absorption transition of the trace gas, this first mode is correspondingly absorbed by the trace gas.
  • An available pump power of the laser is then used for the second mode, resulting in the intensity of the second mode changing.
  • the second mode can thus be used to read out the absorption spectrum of the trace gas that is scanned with the first mode. Accordingly, the measurement arrangement enables the absorption spectrum of the trace gas to be obtained by continuously detecting the laser spectrum.
  • the measuring arrangement according to the invention and the method according to the invention it is not necessary to record and analyze the laser spectrum immediately after switching on the laser.
  • a laser in multi-mode operation in which more than two Vibration modes oscillate used, but the laser is used in two-mode operation, the two modes are in competition with each other. Competing modes means that the two modes are due to lasing transitions of the lasing medium originating from the same excited energy state of the lasing medium.
  • the measuring arrangement provides in a first alternative that the laser is designed in such a way that the two competing modes are two linearly polarized modes and the two linearly polarized modes have orthogonal polarization to one another. Accordingly, the two modes can be separated from one another by the polarization beam splitter. In this way, the detection of the intensity of the second portion of the electromagnetic radiation, which exhibits the second mode, is greatly simplified by means of the detector. According to the first alternative, it is therefore provided that the laser is designed in such a way that the two modes that compete with one another are two linearly polarized modes and the two linearly polarized modes have orthogonal polarization to one another.
  • the direction of oscillation of the electric field vector is constant.
  • the direction of oscillation of the electric field vector of the second mode is ⁇ 90° offset from the direction of oscillation of the electric field vector of the first mode.
  • the first mode is parallel polarized and the second mode is perpendicularly polarized or vice versa. Since both modes can be separated by means of the polarization beam splitter due to their mutually orthogonal polarizations, the laser spectrum and the change in the laser spectrum due to the absorption can be detected particularly easily.
  • the measurement arrangement according to the invention provides that the laser medium provides multiple laser transitions, and the two modes are two modes with different laser wavelengths. Accordingly, the two modes can be distinguished from one another simply because of their different wavelengths, which also greatly simplifies the detection of the intensity.
  • two competing modes means that the two modes are due to lasing transitions of the lasing medium originating from the same excited energy state of the lasing medium.
  • the two modes go back to laser transitions that start from the same excited energy state, but have different energetic end states and therefore modes with different laser wavelengths.
  • a helium-neon laser may have the 3s 2 - 2p 4 laser transition at 632.816 nm and the 3s 2 - 3p 4 laser transition at 3392.2 nm, both of which originate from the 3s 2 excited state.
  • a further advantage of the invention is that due to the introduction of the trace gas into the laser cavity, very high values for the finesse of the cavity can be achieved without having to use mirrors with ultra-high reflectivity for the cavity as in CEAS and CRDS. Furthermore, the measurement arrangement makes it possible to increase the photon lifetime in the resonator and consequently the finesse of the resonator in a simple manner by increasing the pump power of the laser. This can compensate for poor and/or deteriorating mirror reflectivity of the resonator.
  • the low complexity of the measuring arrangement in addition to a high level of robustness and good resistance to adverse environmental conditions, means that the measuring arrangement can be made small and light.
  • a resonant wave has the same phase or a multiple of 2p as before after one resonator round trip and can therefore interfere constructively.
  • Non-resonant waves are damped by destructive interference, since all possible phase differences can occur after several round trips.
  • the frequencies amplified by the resonator are the modes of the laser.
  • the resonator and/or the measuring cell is designed in such a way that the trace gas can be introduced into the resonator.
  • the trace gas can be a gas or a gas mixture.
  • the trace gas can be present in very low concentrations.
  • the measurement setup comprises the measurement cell, in which the trace gas can be accommodated, and the measurement cell can be and/or is arranged next to the laser medium in the resonator.
  • the resonator can be arranged and/or is arranged in the measuring cell. In other words, a device is used for the resonator and a separate device for the measuring cell.
  • the trace gas can be introduced into the resonator in a simple manner by arranging one device in the other device.
  • the measuring cell is formed by the resonator, ie a common device is present which takes over the function of the resonator and the measuring cell.
  • the trace gas is thus received directly by the resonator.
  • the resonator therefore provides a space for absorbing the trace gas.
  • the trace gas can be introduced into the resonator without an additional device.
  • the resonator is preferably not only designed in such a way that the resonator allows feedback of the electromagnetic radiation emitted by the laser medium, but is also preferably designed to absorb the trace gas.
  • the laser is designed in such a way that the two modes that are in competition with one another are two directly consecutive longitudinal modes.
  • the frequency spacing between the two directly consecutive longitudinal modes depends on the length of the resonator and is also referred to as the free spectral range.
  • This configuration is particularly advantageous when the measurement arrangement comprises the polarization beam splitter, and the two modes are the two linearly polarized modes having orthogonal polarization to each other.
  • an amplification curve of the laser is such that there is room for exactly two modes in the amplification curve.
  • Amplification curve also called gain curve, describes the frequency dependency of the radiation amplification of the laser medium.
  • the amplification curve depends, among other things, on the line profile of the laser transition.
  • a laser medium that has a lasing transition at a center frequency VL emits not only photons at VL but also (with decreasing probability) at higher and lower frequencies.
  • Reasons for this are, among other things, the natural line width of the laser transition, influences of the
  • Velocity distribution of the particles in the laser medium Doppler broadening, Doppler effect
  • collisions between the particles in the laser medium pressure broadening
  • the laser is designed in such a way that the two modes that are in competition with one another are not two directly consecutive longitudinal modes.
  • This configuration is particularly advantageous when the lasing medium provides multiple lasing transitions and the two modes are two modes with different lasing wavelengths.
  • the laser medium has two amplification curves that interact with one another, with one mode having space in each amplification curve. Provision is therefore preferably made for the amplification curves and the free spectral range to be matched to one another in such a way that the laser emits two competing modes which are not two directly consecutive longitudinal modes.
  • the laser is designed in such a way that a frequency of the absorption transition of the trace gas lies between the frequencies of the two modes of the laser.
  • the frequency of one of the two modes of the laser is therefore not only spectrally close to the absorption transition of the trace gas, but the laser is also preferably designed in such a way that one of the two modes has a lower frequency than the frequency of the absorption transition of the trace gas and the other mode has a higher frequency than the frequency of the absorption transition of the trace gas. This allows the frequency of the mode to be changed only slightly to match the frequency of the trace gas absorption transition.
  • the measuring arrangement comprises the polarization beam splitter, the polarization beam splitter being designed to divide the electromagnetic radiation of the laser into a first component having the first mode and a component the second mode share having second portion.
  • the first portion of the laser light is preferably reflected by the polarization beam splitter and the second portion of the laser light is transmitted by the polarization beam splitter, or vice versa. Since both modes are separated from one another by means of the polarization beam splitter due to their orthogonal polarizations, the laser spectrum and the change in the laser spectrum due to absorption can be easily detected.
  • a preferred development of the invention provides that the polarization beam splitter is arranged in the beam direction of the laser next to the resonator or that the polarization beam splitter is arranged inside the resonator of the laser.
  • the arrangement of the polarization beam splitter within the resonator has the advantage that the two modes with different polarization can be tuned individually.
  • the arrangement of the polarization beam splitter next to the resonator allows easy access to the polarization beam splitter.
  • the resonator comprises at least one highly reflecting mirror and at least one outcoupling mirror.
  • the output mirror preferably has a mirror reflectivity of less than 100% for at least one wavelength. In this way, the electromagnetic radiation generated by the laser emerges from the outcoupling mirror.
  • the polarization beam splitter is arranged next to the outcoupling mirror.
  • the resonator comprises at least one highly reflective mirror and comprises at least two outcoupling mirrors.
  • the resonator has at least one mirror, the mirror reflectivity of which is different for the different laser wavelengths.
  • the mirror with different mirror reflectivity is preferably the outcoupling mirror. More preferably, the mirror reflectivity for the first mode, ie that whose frequency is changed in such a way that it matches the frequency of the absorption transition of the trace gas, is higher than for the second mode.
  • the mirror reflectivity for the first mode is preferably so high that the output mirror for the first mode acts as a highly reflective mirror. In this way, only the second mode exits at the output mirror.
  • the different mirror reflectivity for the different laser wavelengths thus makes it possible to increase the sensitivity and also simplifies the detection of the intensity of the second mode.
  • the change in length of the resonator it is further preferably provided that devices for heating and/or cooling are provided, by means of which the length of the resonator can be changed.
  • Piezo-controlled mirror actuators are preferably provided.
  • the measuring arrangement comprises at least one detector for detecting an intensity of the electromagnetic radiation, the detector being arranged in such a way that an intensity of a first component exhibiting the first mode and/or an intensity of a second component exhibiting the second mode of the electromagnetic radiation of the laser can be detected.
  • the measuring arrangement comprises two detectors for detecting the intensity of the electromagnetic radiation, the detectors being arranged in such a way that the intensity of the first component having the first mode and of the the second portion of the split by the polarization beam splitter exhibiting the second mode electromagnetic radiation of the laser can be detected.
  • the detectors are arranged in such a way that the two components of the laser light can be detected individually.
  • a polarization beam splitter that transmits one portion of the laser light and reflects the other
  • one detector is arranged next to the polarization beam splitter in the transmission direction and the other detector is arranged next to the polarization beam splitter in the reflection direction.
  • the measuring arrangement comprises a detector for detecting at least one intensity.
  • a detector can be used which is designed in such a way that the intensity of both laser wavelengths can be detected.
  • a detector is particularly preferably used which is designed in such a way that only the intensity of a laser wavelength can be detected.
  • a Si photodiode is preferably used as a detector, since this detects the radiation in the middle IR - i.e. at 3392, 2 nm cannot detect.
  • the measuring arrangement comprises a spectral filter. This allows one of the two laser wavelengths to pass and the other laser wavelength to be blocked out. If the spectral filter is arranged in front of the detector, a detector that only detects the intensity of one laser wavelength can be provided in a simple manner even with laser wavelengths that are spectrally close together and whose intensities would be detected accordingly by the detector.
  • the laser medium can be solid, liquid or gaseous - i.e. the laser can basically be a solid-state laser, semiconductor laser, Raman laser, dye laser or gas laser.
  • the laser medium is gaseous and the gas pressure, gas temperature and/or gas mixing ratio of the laser medium is such that exactly two modes are emitted that compete with one another, with one of the two modes having a frequency close to the Has absorption transition of the trace gas.
  • the amplification curve of the laser is such that exactly two modes have space in the amplification curve or that the laser medium has two interacting modes Has amplification curves, one mode in each amplification curve has space.
  • the amplification curve be broadened.
  • the laser medium is located in a magnetic field, electric field and/or electromagnetic field, and the magnetic field, electric field and/or electromagnetic field is such that the laser has exactly two modes are emitted in competition with one another, with one of the two modes having a frequency close to the absorption transition of the trace gas. Due to the Zeeman effect, the magnetic field leads to a broadening of the amplification curve of the laser medium, so that the width of the amplification curve can be adapted to the free spectral range.
  • the trace gas is in a magnetic field, electric field and/or electromagnetic field and the magnetic field, electric field and/or electromagnetic field is such that the frequency of the absorption transition of the trace gas is in the vicinity of is one of the two modes of the laser.
  • the emission of the laser can be controlled via the magnetic field, electric field and/or electromagnetic field, but also the position and width of the absorption transition of the trace gas.
  • the field used to control the The absorption transition of the trace gas it can be the same field as used to control the emission of the laser or it can be a different field.
  • the laser medium is selected from the group consisting of helium-neon gas mixtures, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, noble gas, metal vapors, helium-cadmium gas mixtures and noble gas halides.
  • the measuring cell is designed in such a way that a pressure of the trace gas in the measuring cell can be changed.
  • This has the advantage that the pressure of the trace gas in the measuring cell can be reduced.
  • a spectral separation of the absorption lines of the different trace gas species can be achieved in a trace gas that comprises several trace gas species by reducing the collision broadening.
  • the absorption transitions of individual isotopes of an isotope mixture of a trace gas can also be spectrally resolved in this way.
  • the laser medium is a helium-neon gas mixture and the resonator has a length of 20 mm. Because the resonator is 20 mm long, two consecutive longitudinal modes have a frequency spacing of 7.5 GHz. Since the helium-neon laser intrinsically has a very narrow amplification curve with a half-width of approximately 1.5 GHz, it is preferably provided that the amplification curve is broadened to approximately 20 GHz by the magnetic field. In this way, the laser emits two consecutive longitudinal modes with a frequency spacing of 7.5 GHz.
  • the resonator comprises an etalon, and the etalon is designed to limit a wavelength range in the resonator.
  • the etalon in the resonator can be used to design the laser in such a way that exactly two competing modes are emitted.
  • This has the advantage that the length of the resonator can be as long as desired, so that there is sufficient space in the resonator to introduce the trace gas into the resonator.
  • the by a long resonator Extended absorption distance so that the measuring arrangement enables a particularly high sensitivity.
  • the step of changing the frequency of the first mode such that its frequency matches the frequency of the absorption transition of the trace gas, changing the length of the resonator, changing a magnetic field , electric field and/or electromagnetic field around the laser medium, changing a pressure of the laser medium and/or changing a temperature of the laser medium.
  • the method includes the step of changing a frequency of the absorption transition of the trace gas.
  • the frequency of the absorption transition of the trace gas can also be changed by applying a magnetic field, electric field and/or electromagnetic field around the trace gas. This can also be facilitated in such a way that the frequency of the first mode coincides with the frequency of the absorption transition of the trace gas.
  • the step of detecting the intensity of the second portion of the electromagnetic radiation having the second mode includes continuously detecting the intensity of the second portion having the second mode when changing the frequency of the first mode.
  • the intensity of the second mode is recorded during the scanning of the absorption transition of the trace gas with the first mode.
  • the change in the intensity of the second modes is particularly preferably detected when the frequency of the first mode changes.
  • the method includes the step of reducing a pressure of the trace gas in the measuring cell.
  • the pressure of the trace gas in the measuring cell is preferably reduced after the trace gas has been introduced into the measuring cell. This leads to the fact that the collision broadening of the absorption lines of the trace gas is reduced. In this way, with several trace gas species, a spectral separation of the absorption lines of the different trace gas species can be achieved.
  • the monitoring of the trace gas taking into account the detected intensity of the second portion of the electromagnetic radiation having the second mode, includes identifying the trace gas, determining a concentration of the trace gas and/or determining a particle number density of the trace gas.
  • the method thus enables the absorption spectrum of the trace gas to be obtained in a simple manner, namely by detecting the intensity of the second mode, by means of which the trace gas can be identified and/or the concentration and/or the particle number density of the trace gas can be determined.
  • the measuring arrangement and the method can also be used to identify individual isotopes of an isotope mixture of a trace gas and to quantify their proportions.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a measuring arrangement for the intra-cavity
  • Fig. 2 is a schematic representation of a gain curve of a laser of
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a measuring arrangement for the intra-cavity
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a measuring arrangement for the intra-cavity
  • Fig. 5 is a schematic representation of a gain curve of a laser of
  • FIG. 1 shows a schematic of a measurement arrangement 10 for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas 12 according to a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the measuring arrangement 10 comprises a laser 14 for generating electromagnetic radiation 16.
  • a polarization beam splitter 18 is arranged next to the laser 14.
  • the laser comprises a resonator 24 and a laser medium 22, the laser medium being arranged in the resonator 24.
  • the laser medium 22 is a helium-neon gas mixture.
  • the trace gas 12 in this case methane.
  • the resonator 24 assumes the function of a measuring cell 20 in which the trace gas 12 is accommodated, in which the resonator 24 provides a space for accommodating the trace gas 12 .
  • the resonator 24 includes two mirrors 24a and 24b, due to a mirror reflectivity of a mirror 24b of less than 100%, this mirror acts as a decoupling mirror 24b for the electromagnetic radiation 16 and thus defines the beam direction 26 of the laser.
  • the polarization beam splitter 18 of the measuring arrangement 10 is designed to split the electromagnetic radiation 16 of the laser 14 into a first portion 32a having the first mode 27a, 28a and a second portion 32b having the second mode 27b, 28b.
  • the first portion 32a of the electromagnetic radiation 16 of the laser 14 is transmitted by the polarization beam splitter 18 and the second portion 32b is deflected by reflection.
  • the measurement arrangement 10 includes in this preferred Embodiment two detectors 34a, 34b which are arranged such that the first portion 32a is detected by a detector 34a and the second portion 32b by the other detector 34b.
  • the first detector 34a thus detects the parallel polarized
  • the longitudinal modes 31 are also shown in FIG. Since the resonator 24 of the laser 14 is 20 mm long in the present exemplary embodiment, two consecutive longitudinal modes 31 have a frequency spacing 44 of approximately 7.5 GHz. Since the helium-neon laser intrinsically has a narrow amplification curve 36 with a half-width of approximately 1.5 GHz, the amplification curve 36 of the laser 14 is broadened to approximately 20 GHz by means of a magnetic field (not shown), resulting in a free spectral range of 8 GHz leads. In this way, exactly two longitudinal modes 31, 28a, 28b that follow one another at a frequency spacing of 7.5 GHz are emitted by the laser 14 and have polarizations that are orthogonal to one another.
  • the first longitudinal mode 28a, 27a, 31 is polarized in parallel
  • FIG. 3 schematically shows a further measurement arrangement 10 for intra-cavity absorption spectroscopy on the trace gas 12 (not shown), according to a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the measuring arrangement 10 in FIG. 3 differs from the measuring arrangement 10 in FIG.
  • the resonator 24 comprises three mirrors 24a, 24b, two mirrors of which are output mirrors 24b.
  • the outcoupling mirrors 24b can be moved via piezo-controlled mirror actuators (not shown), so that the frequency of the first mode 27a, 28a can be changed independently of the second mode 27b, 28b and vice versa.
  • FIG. 4 shows another measurement arrangement 10 for intra-cavity absorption spectroscopy on the trace gas 12, according to a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the measuring arrangement of the present exemplary embodiment does not include a polarization beam splitter 18.
  • the laser 14 of the present exemplary embodiment is designed in such a way that the laser 14 emits exactly two modes 28a, 28b, with the first mode 28a having a frequency in near the absorption transition 30 of the trace gas 12, the two modes 28a, 28b competing with each other, and the lasing medium 22 providing multiple lasing transitions, and the two modes 28a, 28b are two modes 29a, 29b of different lasing wavelength.
  • the laser medium 22 is a helium-neon gas mixture.
  • the trace gas 12 in this case methane.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an amplification curve 36 of the laser 14 from FIG. 4.
  • the frequency is plotted on the x-axis 38 of the diagram in FIG. 5, and the power is plotted on the y-axis 40.
  • the laser threshold 42 is shown in FIG. 5, which represents the minimum necessary pump power of the laser 14, above which the laser 14 begins to work.
  • the laser 14 is also a helium-neon laser.
  • the laser medium 22, ie the helium-neon gas mixture, represents different laser transitions ready. It can be seen from FIG. 5 that the laser medium 22 has two mutually interacting gain curves 36, each gain curve 36 having a mode 28a, 28b. There is therefore a single-mode laser resonator for the first amplification curve 36 and a single-mode laser resonator for the second amplification curve 36. In this way, the laser 14 emits exactly two modes 28a, 28b which have different laser wavelengths.
  • the laser 14 is designed such that the laser transitions at 632.816 nm and at 3392.2 nm are supported by the laser 14, the laser transition at 632.816 nm being the second mode 28b and the laser transition at 3392.2 nm being the first mode 28a. Accordingly, the frequency of the first mode 28a is close to the absorption transition of methane 12.
  • a detector 34 here a silicon photodiode. This is not suitable for detecting the intensity at 3392.2 nm, but only detects in the spectral range from about 190 - 1100 nm. It is therefore not necessary to use a spectral filter.
  • FIG. 6 shows another measurement arrangement 10 for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas 12 according to a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the resonator 24 takes over the function of the measuring cell 20
  • the measuring cell 20 has a microfluidic system 50 that allows the pressure of the trace gas 12 within the measuring cell 20 to be changed.
  • the measuring arrangement 10 does not include a polarization beam splitter 18 and only a detector 34.
  • the configuration of the measuring cell 20 shown can of course also be used in the embodiment with a polarization beam splitter according to FIG. Reference List

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Abstract

The invention relates to a measuring arrangement (10) for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas (12), comprising a laser (14) for generating electromagnetic radiation (16), and a measuring cell (20) for receiving the trace gas (12), the laser (14) comprising a laser medium (22) and a resonator (24), the laser medium (22) being arranged in the resonator (24), the resonator (24) and/or the measuring cell (20) being configured in such a way that the trace gas (12) is introducible into the resonator (24), the laser (14) being configured in such a way that exactly two modes (28a, 28b) are emitted, one of the two modes (28a, 28b) having a frequency in the vicinity of an absorption transition (30) of the trace gas (12), the two modes (28a, 28b) competing with each other, and a) the measuring arrangement comprising a polarization beam splitter, the two modes (28a, 28b) being two linearly polarized modes (27a, 27b) and the two linearly polarized modes (27a, 27b) being polarized orthogonally to each other, or b) the laser medium (22) providing a plurality of laser transitions, and the two modes (28a, 28b) being two modes (29a, 29b) having different laser wavelengths. Furthermore, the invention relates to a method for monitoring the trace gas (12) by means of the above measuring arrangement (10).

Description

Messanordnung und Verfahren zur Überwachung eines Spurengases Measuring arrangement and method for monitoring a trace gas
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas. The invention relates to a measuring arrangement for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Spurengases mittels der obigen Messanordnung. Furthermore, the invention relates to a method for monitoring a trace gas using the above measurement arrangement.
Als Spurengase werden alle Gase bezeichnet, die in der Luft in geringeren Anteilen Vorkommen als die drei Hauptbestandteile Stickstoff (etwa 78 Vol.-%), Sauerstoff (etwa 21 Vol.-%) und Argon (etwa 1 Vol.-%). Spurengase können demnach nicht reaktive Edelgase wie Neon, Helium oder Krypton sein, oder reaktive Gase, die eventuell umweltschädlich sind, zum Treibhauseffekt beitragen oder die - wie reaktive Halogenverbindungen - zum Ozonabbau beitragen. Trace gases are all gases that occur in the air in smaller proportions than the three main components nitrogen (about 78% by volume), oxygen (about 21% by volume) and argon (about 1% by volume). Trace gases can therefore be non-reactive noble gases such as neon, helium or krypton, or reactive gases that may be environmentally harmful, contribute to the greenhouse effect or - like reactive halogen compounds - contribute to ozone depletion.
Für die Überwachung von Spurengas werden oftmals laserspektroskopische Methoden verwendet, bei denen Laser zur Anregung des zu untersuchenden Spurengases verwendet werden, da mit laserspektroskopischen Methoden hohe Empfindlichkeiten erreicht werden können. Laser spectroscopic methods are often used for monitoring trace gases, in which lasers are used to excite the trace gas to be examined, since high sensitivities can be achieved with laser spectroscopic methods.
Eine weit verbreitete Methode zur Überwachung von Spurengas ist die direkte durchstimmbare Diodenlaserabsorptionsspektroskopie (engl tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS). Dabei wird eine Wellenlänge des Laserlichtes auf eine oder mehrere charakteristische Absorptionslinien des zu untersuchenden Spurengases abgestimmt. Aus der gemessenen Absorption kann die Teilchenzahl dichte des zu untersuchenden Spurengases bestimmt werden. Als Quelle des Laserlichtes dient dabei eine Laserdiode. A widely used method for monitoring trace gases is direct tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS). A wavelength of the laser light is tuned to one or more characteristic absorption lines of the trace gas to be examined. The particle number density of the trace gas to be examined can be determined from the measured absorption. A laser diode serves as the source of the laser light.
Die Stärke der Absorption pro Molekül ist eine intrinsische Eigenschaft des jeweiligen Moleküls und lediglich von der Temperatur abhängig. Die Linienform einer Absorptionslinie hängt hingegen sowohl von Temperatur als auch vom Druck des zu untersuchenden Spurengases ab. Allerdings kann letztgenannte Abhängigkeit durch Integration über die Absorptionslinie eliminiert werden, so dass die Fläche unter der Absorptionslinie ein direktes Maß für die Teilchenzahldichte des zu untersuchenden Spurengase ist. Entsprechend ist die Intensität des Signals lediglich durch die optische Weglänge / des Laserlichtes durch das Spurengas gegeben. The strength of the absorption per molecule is an intrinsic property of the respective molecule and only depends on the temperature. The line shape of an absorption line, on the other hand, depends on both the temperature and the pressure of the trace gas to be examined. However, the latter dependency can be eliminated by integration over the absorption line, so that the area under the absorption line is a direct measure of the particle number density of the trace gases to be examined. Accordingly is the Intensity of the signal given only by the optical path length / of the laser light through the trace gas.
Eine Möglichkeit die Empfindlichkeit der Methode zu erhöhen liegen in der Verlängerung der Absorptionsstrecke /. Dies kann beispielweise auch durch Verwendung von optischen Resonatoren erfolgen, wobei der optische Resonator durch Hin- und Rück-Reflexionen des Laserlichtes die effektive optische Weglänge vervielfacht. Zwei Techniken, bei denen ein optischer Resonator verwendet wird, sind die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) und die resonatorverstärkte Absorptionsspektroskopie (engl. Cavity-enhanced absorption spectroscopy, CEAS). One way to increase the sensitivity of the method is to extend the absorption distance /. This can also be done, for example, by using optical resonators, with the optical resonator multiplying the effective optical path length by reflecting the laser light back and forth. Two techniques that use an optical cavity are cavity ring-down spectroscopy (CRDS) and cavity-enhanced absorption spectroscopy (CEAS).
Mit der Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) sind Nachweisgrenzen des Spurengases im ppb bis ppq Bereich möglich (109 bis 10 15). Bei der CRDS wird eine Photonenlebensdauer in einem Resonator mit hoher Finesse bestimmt, wobei die Finesse als Kennzahl des Resonators dessen spektrales Auflösungsvermögen angibt. Vereinfacht hängt die Finesse von den Verlusten im Resonator ab, wobei eine hohe Reflektivität der Spiegel des Resonators zu einer hohen Finesse führt. Ein typischer CRDS-Aufbau umfasst einen Laser, mit dem der optischer Resonator mit hoher Finesse beleuchtet wird. Der Laser wird dann ausgeschaltet, um eine Messung der exponentiell abfallenden Lichtintensität zu ermöglichen, die aus dem Resonator austritt. Während dieser Abklingzeit (engl ring down) wird das Licht viele Male zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert, was einer effektiven Weglänge während des Abklingens in der Größenordnung von einigen Kilometern entspricht. Wird das Spurengas in den Resonator eingebracht, verringert sich die mittlere Photonenlebensdauer, da weniger Hin- und Rück- Reflexionen erforderlich sind, bevor die Intensität des Lichtes auf einen Bruchteil seiner ursprünglichen Intensität abgefallen ist. Die Messung der Abklingzeit ermöglicht somit Rückschlüsse auf die Spurengaskonzentration. With cavity ring down spectroscopy (CRDS), detection limits of the trace gas in the ppb to ppq range are possible (10 9 to 10 15 ). In CRDS, a photon lifetime in a resonator is determined with high finesse, the finesse being a key figure of the resonator indicating its spectral resolution. In simplified terms, the finesse depends on the losses in the resonator, with high reflectivity of the mirrors of the resonator leading to high finesse. A typical CRDS setup includes a laser that illuminates the optical resonator with high finesse. The laser is then turned off to allow measurement of the exponentially decaying light intensity exiting the resonator. During this ring down time, the light bounces back and forth between the mirrors many times, resulting in an effective decay path length of the order of a few kilometers. If the trace gas is introduced into the resonator, the mean photon lifetime is reduced because fewer round-trip reflections are required before the intensity of the light has dropped to a fraction of its original intensity. The measurement of the decay time thus enables conclusions to be drawn about the trace gas concentration.
Bei der resonatorverstärkten Absorptionsspektroskopie (engl. Cavity-enhanced absorption spectroscopy , CEAS) sind ähnliche Nachweisgrenzen wie bei der CRDS möglich, wobei auch bei der CEAS Laserlicht in einen Resonator, in dem sich das Spurengas befindet, eingekoppelt wird. Allerdings wird bei der CEAS nicht die Abklingzeit des Resonators bestimmt, sondern die Intensität des aus dem Resonator ausgekoppelten Laserlichtes. Eine weitere Möglichkeit zum Überwachen von Spurengas ist die photoakustische Laserspektroskopie, bei der optische und akustischen Resonatoren kombiniert werden. Dabei wird die Tatsache genutzt, dass die Schallwellenamplitude direkt proportional zur Lichtleistung und zur Anzahl der absorbierenden Spurengasmoleküle ist. With cavity-enhanced absorption spectroscopy (CEAS), similar detection limits as with CRDS are possible, with CEAS also coupling laser light into a resonator containing the trace gas. However, with CEAS it is not the decay time of the resonator that is determined, but the intensity of the laser light coupled out of the resonator. Another way to monitor trace gas is photoacoustic laser spectroscopy, which combines optical and acoustic resonators. The fact is used that the sound wave amplitude is directly proportional to the light output and the number of absorbing trace gas molecules.
Auch wenn die oben genannten Techniken eine sehr hohe Präzision und Genauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration des Spurengases ermöglichen, hängt ihre Leistung entscheidend von der Qualität, insbesondere der Finesse, des optischen Resonators ab, die jeweils durch das Reflexionsvermögen der Spiegel des Resonators begrenzt ist. Weiterhin macht der Aufbau, bei dem das Laserlicht in den Resonator eingekoppelt wird, es erforderlich, die Linienbreite des Laserlichts zu verschmalern, was eine fundamentale Limitation bei der Nutzung passiver Resonatoren zum Spurengasnachweis darstellt. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass die Resonatoren nicht durch Vibrationen beeinflusst werden, was aufwändige Laborinfrastruktur für den Aufbau notwendig macht. Even though the above techniques allow for very high precision and accuracy in determining the concentration of the trace gas, their performance depends critically on the quality, especially the finesse, of the optical resonator, each of which is limited by the reflectivity of the mirrors of the resonator. Furthermore, the setup in which the laser light is coupled into the resonator makes it necessary to narrow the line width of the laser light, which is a fundamental limitation when using passive resonators for trace gas detection. At the same time, it must be ensured that the resonators are not affected by vibrations, which necessitates complex laboratory infrastructure for construction.
Eine Methode, bei der es nicht notwendig ist, das Laserlicht in den optischen Resonator einzukoppeln, ist die Intra-cavity-Absorptionsspektroskopie. Bei der intra-cavity- Absorptionsspektroskopie, wird das zu untersuchende Spurengas direkt in den Strahlengang des Lasers im Laser-Resonator (engl cavity) eingebracht, anstatt wie bei der CRDS und CEAS den emittierten Laserstrahl in einem externen Resonator durch die zu untersuchende Spurengasprobe zu schicken. Dies führt zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber den herkömmlichen Absorptionsmessungen, wobei dabei ausgenutzt wird, dass innerhalb des Laser-Resonators die Lichtleistung stark überhöht ist. Weitere Gründe für die hohe Empfindlichkeit sind die große effektive optische Weglänge sowie die Modenkonkurrenz innerhalb des Laser-Resonators. Bringt man eine Absorptionszelle mit Spurengas in einen Multi-Moden-Laser ein, wobei das Spurengas bestimmte Moden des Lasers absorbiert, andere dagegen nicht, reichen aufgrund der Modenkonkurrenz schon sehr geringe Teilchenkonzentrationen des Spurengases aus, um die absorbierten Moden im Laserspektrum zu unterdrücken. Denn die Modenkonkurrenz führt zu einer Umverteilung der verfügbaren Verstärkung auf andere Moden des Lasers. Das Grundprinzip der Intra-cavity- Absorptionsspektroskopie ist wie folgt: Die zu untersuchende Spurengasprobe wird in den Laser-Resonator des Multi-Moden-Laser eingebracht, wobei der Laser in der Regel ein Lasermedium mit breiter Verstärkungskurve und einen Resonator mit geringen Verlusten umfasst. Beim Anschalten des Lasers, beginnt der Laser auf vielen Moden gleichzeitig zu schwingen. Erst nach einigen Hin- und Rück-Reflexionen des Laserlichtes im Laser-Resonator konzentriert sich das Laserspektrum auf den Spektralbereich der Verstärkungskurve mit der höchsten Verstärkung. Während dieser Entwicklung können schwache Absorptionsmerkmale des Spurengases Signaturen in das Laserspektrum einprägen, da sie das Laserspektrum während vieler Hin- und Rück-Reflexionen beeinflussen können. Eine Messung des Laserspektrums erfolgt entsprechend eine kurze Zeit nach dem Einschalten des Lasers, wobei diese Zeit kurz genug sein sollte, um eine zu starke Verengung des Laserspektrums zu verhindern. Nachteilig an der intra-cavity -Absorptionsspektroskopie ist somit, dass das Laserspektrum auf sehr kurzen Zeitskalen analysiert werden muss, was zu komplexen Laboraufbauten führt. A method that does not require the laser light to be coupled into the optical resonator is intra-cavity absorption spectroscopy. In intra-cavity absorption spectroscopy, the trace gas to be examined is introduced directly into the beam path of the laser in the laser resonator (cavity) instead of sending the emitted laser beam through the trace gas sample to be examined in an external resonator, as is the case with CRDS and CEAS . This leads to an increase in sensitivity compared to conventional absorption measurements, whereby use is made of the fact that the light output is greatly increased within the laser resonator. Other reasons for the high sensitivity are the large effective optical path length and mode competition within the laser resonator. If an absorption cell with trace gas is introduced into a multi-mode laser, with the trace gas absorbing certain modes of the laser but not others, very low particle concentrations of the trace gas are sufficient to suppress the absorbed modes in the laser spectrum due to mode competition. Because the mode competition leads to a redistribution of the available amplification to other modes of the laser. The basic principle of intra-cavity absorption spectroscopy is as follows: The trace gas sample to be examined is introduced into the laser resonator of the multi-mode laser, which laser typically comprises a laser medium with a wide gain curve and a low-loss resonator. When turning on the laser, the laser starts on many modes at the same time swing. Only after a few back and forth reflections of the laser light in the laser resonator does the laser spectrum concentrate on the spectral range of the amplification curve with the highest amplification. During this evolution, weak absorption features of the trace gas can impress signatures in the laser spectrum since they can affect the laser spectrum during many round-trip reflections. Accordingly, the laser spectrum is measured a short time after switching on the laser, whereby this time should be short enough to prevent the laser spectrum from narrowing too much. The disadvantage of intra-cavity absorption spectroscopy is that the laser spectrum has to be analyzed on very short time scales, which leads to complex laboratory setups.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Messanordnung zur intra-cavity Absorptions spektroskopie an einem Spurengas bereitzustellen, die robust ist und keine komplexen Laboraufbauten erforderlich macht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die ein kontinuierliches Analysieren des Laserspektrums ermöglichen. It is therefore the object of the invention to provide a measuring arrangement for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas which is robust and does not require any complex laboratory setups. Furthermore, it is the object of the invention to provide a measuring arrangement and a method that enable continuous analysis of the laser spectrum.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. This object is solved by the subject matter of the independent claims. Preferred developments of the invention are described in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird somit eine Messanordnung zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, umfassend einen Laser zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und eine Messzelle zur Aufnahme des Spurengases bereitgestellt, wobei der Laser ein Lasermedium und einen Resonator umfasst, wobei das Lasermedium im Resonator angeordnet ist, wobei der Resonator und/oder die Messzelle derart ausgestaltet ist, dass das Spurengas in den Resonator einbringbar ist, wobei der Laser derart ausgestaltet ist, dass genau zwei Moden emittiert werden, wobei eine der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe eines Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist, wobei die zwei Moden zueinander in Konkurrenz stehen, und wobei a) die Messanordnung einen Polarisationsstrahlteiler umfasst, die zwei Moden zwei linear polarisierte Moden sind und die zwei linear polarisierten Moden orthogonale Polarisation zueinander aufweisen, oder b) das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Überwachen eines Spurengases mittels der obigen Messanordnung bereitgestellt, wobei das Spurengas in den Resonator eingebracht ist, umfassend die Schritte According to the invention, a measuring arrangement for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas is thus provided, comprising a laser for generating electromagnetic radiation and a measuring cell for receiving the trace gas, the laser comprising a laser medium and a resonator, the laser medium being arranged in the resonator, the Resonator and/or the measuring cell is designed in such a way that the trace gas can be introduced into the resonator, the laser being designed in such a way that exactly two modes are emitted, one of the two modes having a frequency in the vicinity of an absorption transition of the trace gas, wherein the two modes are in competition with each other, and wherein a) the measurement arrangement comprises a polarization beam splitter, the two modes are two linearly polarized modes and the two linearly polarized modes have orthogonal polarization to one another, or b) the laser medium provides multiple laser transitions, and the two modes n are two modes with different laser wavelengths. Furthermore, according to the invention, a method for monitoring a trace gas by means of the above measurement arrangement is provided, with the trace gas being introduced into the resonator, comprising the steps
Betreiben des Lasers im zwei-Moden-Betrieb, derart dass genau zwei Moden emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine erste Mode der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist, Operating the laser in two-mode operation in such a way that exactly two competing modes are emitted, with a first mode of the two modes having a frequency close to the absorption transition of the trace gas,
Verändern der Frequenz der ersten Mode, derart dass ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt, changing the frequency of the first mode such that its frequency matches the frequency of the absorption transition of the trace gas,
Erfassen einer Intensität eines die zweite Mode ausweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung des Lasers mittels eines Detektors, und detecting an intensity of a second component of the electromagnetic radiation of the laser, which component exhibits the second mode, by means of a detector, and
Überwachen des Spurengases unter Berücksichtigung der erfassten Intensität des die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung. monitoring the trace gas taking into account the detected intensity of the second portion of the electromagnetic radiation having the second mode.
Im Sinne der Erfindung bedeutet in der Nähe des Absorptionsüberganges, dass die Frequenz einer der zwei Moden, hier als die erste Mode bezeichnet, spektral derart nahe bei der Frequenz des Absorptionsübergang des Spurengases liegt, dass durch Verändern der Frequenz der ersten Mode, die erste Mode das Absorptionsspektrum des Spurengases abtasten kann. Ein Kernaspekt der Erfindung ist, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass genau zwei zueinander in Konkurrenz stehende Moden emittiert werden, wobei eine der zwei Moden, nämlich die erste Mode, eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist. Beim Verfahren zum Überwachen des Spurengases ist das Spurengas in den Resonator eingebracht. Wenn durch Verändern der Frequenz der ersten Moden die Frequenz der ersten Mode das Absorptionsspektrum des Spurengases abtastet und derart die erste Mode in ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt, wird diese erste Mode entsprechend vom Spurengas absorbiert. Eine verfügbare Pumpleistung des Lasers wird dann für die zweite Mode verwendet, was dazu führt, dass sich die Intensität der zweiten Mode verändert. Die zweite Mode kann somit zum Auslesen des Absorptionsspektrums des Spurengases, das mit der ersten Mode abgetastet wird, verwendet werden. Dementsprechend ermöglicht die Messanordnung das Absorptionsspektrum des Spurengases durch ein kontinuierliches Detektieren des Laserspektrums zu erhalten. Somit ist es im Gegensatz zum Stand der Technik aufgrund der erfindungsgemäßen Messanordnung und des erfmdungsgemäßen Verfahrens nicht notwendig, das Laserspektrum direkt kurze Zeit nach dem Einschalten des Lasers zu erfassen und zu analysieren. In anderen Worten wird nicht wie im Stand der Technik ein Laser im Multi -Moden-Betrieb, bei dem mehr als zwei Schwingungsmoden anschwingen, verwendet, sondern der Laser wird im zwei-Moden-Betrieb verwendet, wobei die zwei Moden zueinander in Konkurrenz stehen. Zueinander in Konkurrenz stehende Moden bedeutet, dass die zwei Moden auf Laserübergänge des Lasermediums zurückgehen, die von demselben angeregten Energiezustand des Lasermediums ausgehen. For the purposes of the invention, near the absorption transition means that the frequency of one of the two modes, referred to here as the first mode, is spectrally so close to the frequency of the absorption transition of the trace gas that by changing the frequency of the first mode, the first mode can scan the absorption spectrum of the trace gas. A key aspect of the invention is that the laser is designed in such a way that exactly two competing modes are emitted, with one of the two modes, namely the first mode, having a frequency close to the absorption transition of the trace gas. In the trace gas monitoring method, the trace gas is introduced into the resonator. If, by changing the frequency of the first modes, the frequency of the first mode scans the absorption spectrum of the trace gas and thus the first mode corresponds in frequency to the frequency of the absorption transition of the trace gas, this first mode is correspondingly absorbed by the trace gas. An available pump power of the laser is then used for the second mode, resulting in the intensity of the second mode changing. The second mode can thus be used to read out the absorption spectrum of the trace gas that is scanned with the first mode. Accordingly, the measurement arrangement enables the absorption spectrum of the trace gas to be obtained by continuously detecting the laser spectrum. Thus, in contrast to the prior art, due to the measuring arrangement according to the invention and the method according to the invention, it is not necessary to record and analyze the laser spectrum immediately after switching on the laser. In other words, as in the prior art, a laser in multi-mode operation, in which more than two Vibration modes oscillate used, but the laser is used in two-mode operation, the two modes are in competition with each other. Competing modes means that the two modes are due to lasing transitions of the lasing medium originating from the same excited energy state of the lasing medium.
Bezüglich des Auslesens des Absorptionsspektrums des Spurengases sieht die erfindungsgemäße Messanordnung in einer ersten Alternative vor, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass die zwei zueinander in Konkurrenz stehenden Moden zwei linear polarisierte Moden sind und die zwei linear polarisierten Moden orthogonale Polarisation zueinander aufweisen. Entsprechend können durch den Polarisationsstrahlteiler die beiden Moden voneinander getrennt werden. Derart wird das Erfassen der Intensität des die zweite Mode ausweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung mittels des Detektors stark vereinfacht. Gemäß der ersten Alternative ist also vorgesehen, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden, die zueinander in Konkurrenz stehen, zwei linear polarisierte Moden sind und die zwei linear polarisierten Moden orthogonale Polarisation zueinander aufweisen. Bei linear polarisiertem Licht ist die Richtung der Schwingung des elektrischen Feldvektors konstant. Somit bedeutet dies, dass die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors der zweiten Mode ± 90° versetzt zur Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors der ersten Mode ist. In anderen Worten ist die erste Mode parallel polarisiert und die zweite Mode senkrecht polarisiert oder umgekehrt. Da beide Moden aufgrund ihrer orthogonalen Polarisationen zueinander mittels des Polarisationsstrahlteilers getrennt werden können, ist das Laserspektrum und die Veränderung des Laserspektrums durch die Absorption besonders einfach erfassbar. With regard to reading out the absorption spectrum of the trace gas, the measuring arrangement according to the invention provides in a first alternative that the laser is designed in such a way that the two competing modes are two linearly polarized modes and the two linearly polarized modes have orthogonal polarization to one another. Accordingly, the two modes can be separated from one another by the polarization beam splitter. In this way, the detection of the intensity of the second portion of the electromagnetic radiation, which exhibits the second mode, is greatly simplified by means of the detector. According to the first alternative, it is therefore provided that the laser is designed in such a way that the two modes that compete with one another are two linearly polarized modes and the two linearly polarized modes have orthogonal polarization to one another. For linearly polarized light, the direction of oscillation of the electric field vector is constant. Thus, this means that the direction of oscillation of the electric field vector of the second mode is ±90° offset from the direction of oscillation of the electric field vector of the first mode. In other words, the first mode is parallel polarized and the second mode is perpendicularly polarized or vice versa. Since both modes can be separated by means of the polarization beam splitter due to their mutually orthogonal polarizations, the laser spectrum and the change in the laser spectrum due to the absorption can be detected particularly easily.
In einer weiteren Alternative sieht die erfindungsgemäße Messanordnung vor, dass das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. Entsprechend können die beiden Moden einfach aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen voneinander unterschieden werden, was das Erfassen der Intensität ebenfalls stark vereinfacht. Wie bereits erwähnt bedeutet zwei zueinander in Konkurrenz stehende Moden, dass die zwei Moden auf Laserübergänge des Lasermediums zurückgehen, die von demselben angeregten Energiezustand des Lasermediums ausgehen. Somit ist in der zweiten Alternative also vorgesehen, dass die zwei Moden auf Laserübergänge zurückgehen, die vom gleichen angeregten Energiezustand ausgehen, jedoch unterschiedliche energetische Endzustände aufweisen und demnach Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. Beispielsweise kann es sich bei einem Helium-Neon Laser um den Laserübergang 3s2 - 2p4 bei 632,816 nm und den Laserübergang 3s2 - 3p4 bei 3392,2 nm handeln, die beide dem angeregten Zustand 3s2 entspringen. In a further alternative, the measurement arrangement according to the invention provides that the laser medium provides multiple laser transitions, and the two modes are two modes with different laser wavelengths. Accordingly, the two modes can be distinguished from one another simply because of their different wavelengths, which also greatly simplifies the detection of the intensity. As previously mentioned, two competing modes means that the two modes are due to lasing transitions of the lasing medium originating from the same excited energy state of the lasing medium. Thus, in the second alternative, it is provided that the two modes go back to laser transitions that start from the same excited energy state, but have different energetic end states and therefore modes with different laser wavelengths. For example, a helium-neon laser may have the 3s 2 - 2p 4 laser transition at 632.816 nm and the 3s 2 - 3p 4 laser transition at 3392.2 nm, both of which originate from the 3s 2 excited state.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass aufgrund des Einbringens des Spurengases in den Resonator des Lasers sehr hohe Werte für die Finesse des Resonators erreicht werden, ohne dass wie bei der CEAS und CRDS für den Resonator Spiegel mit ultrahohem Reflexionsvermögen verwenden werden müssen. Weiterhin ermöglicht die Messanordnung auf einfache Weise über Erhöhung der Pumpleistung des Lasers die Photonenlebensdauer in dem Resonator und folglich die Finesse des Resonators zu erhöhen. Dadurch kann ein schlechtes und/oder ein sich verschlechterndes Spiegelreflexionsvermögen des Resonators kompensiert werden. Die geringe Komplexität der Messanordnung führt nebst einer hohen Robustheit und guter Beständigkeit gegen widrige Umgebungsbedingung dazu, dass die Messanordnung klein und leicht ausgeführt werden kann. A further advantage of the invention is that due to the introduction of the trace gas into the laser cavity, very high values for the finesse of the cavity can be achieved without having to use mirrors with ultra-high reflectivity for the cavity as in CEAS and CRDS. Furthermore, the measurement arrangement makes it possible to increase the photon lifetime in the resonator and consequently the finesse of the resonator in a simple manner by increasing the pump power of the laser. This can compensate for poor and/or deteriorating mirror reflectivity of the resonator. The low complexity of the measuring arrangement, in addition to a high level of robustness and good resistance to adverse environmental conditions, means that the measuring arrangement can be made small and light.
Wie bereits erwähnt umfasst die Messanordnung den Laser und die Messzelle. Der Laser ist zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ausgestaltet, wobei der Laser den Resonator und das Lasermedium umfasst. Bevorzug umfasst der Laser weiterhin eine Pumpquelle. Beim Betrieb des Lasers entstehen im Lasermedium durch einen optischen Übergang angeregter Atome oder Moleküle des Lasermediums in einen energetisch günstigeren Zustand elektromagnetische Strahlung. Zentrale Bedingung für ein Lasermedium ist, dass sich eine Besetzungsinversion hersteilen lässt. Dies bedeutet, dass der energetisch höherliegende Zustand des optischen Übergangs mit einer höheren Wahrscheinlichkeit besetzt ist als der energetisch günstigere Zustand, sprich der energetische Endzustand. Um eine Besetzungsinversion herbeizuführen, wird durch die Pumpquelle Energie in das Lasermedium hineingepumpt. Das Pumpen kann je nach Lasermedium optisch durch Einstrahlung von Licht oder elektrisch beispielsweise durch elektrischen Strom, oder über Gasentladung erfolgen und derart die Atome oder Moleküle des Lasermediums in angeregte Zustände bringen. As already mentioned, the measuring arrangement includes the laser and the measuring cell. The laser is designed to generate electromagnetic radiation, the laser comprising the resonator and the laser medium. Preferably, the laser further includes a pump source. During operation of the laser, electromagnetic radiation is generated in the laser medium due to an optical transition of excited atoms or molecules of the laser medium into an energetically more favorable state. The central condition for a laser medium is that a population inversion can be produced. This means that the energetically higher state of the optical transition is occupied with a higher probability than the energetically more favorable state, i.e. the energetic end state. In order to bring about a population inversion, energy is pumped into the laser medium by the pump source. Depending on the laser medium, the pumping can take place optically by irradiating light or electrically, for example by electric current, or by gas discharge and in this way bring the atoms or molecules of the laser medium into excited states.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Lasermedium im Resonator angeordnet ist. Bevorzugt ist der Resonator derart ausgestaltet, dass der Resonator eine Rückkopplung der vom Lasermedium emittierten elektromagnetischen Strahlung erlaubt. Bevorzugt handelt es sich beim Resonator um einen Spiegelresonator und weiter bevorzugt um einen Stehwellenresonator. Der Resonator des Lasers legt bevorzugt die Richtung der induzierten Emission und damit die Strahlrichtung des Lasers fest: nur längs zum Resonator emittierte Photonen laufen mehrfach im Resonator hin und her und stimulieren vorrangig in dieser Richtung verlaufende weitere Emission. Zum anderen erfolgt durch den Resonator aufgrund Interferenz eine Wellenlängenselektion. Eine resonante Welle hat nach einem Resonatorumlauf, die gleiche Phase oder ein Vielfaches von 2p wie vorher und kann daher konstruktiv interferieren. Nicht resonante Wellen hingegen werden, da nach mehreren Umläufen alle möglichen Phasendifferenzen auftreten können, durch destruktive Interferenz gedämpft. Die durch den Resonator verstärkten Frequenzen sind die Moden des Lasers. Furthermore, it is provided that the laser medium is arranged in the resonator. The resonator is preferably designed in such a way that the resonator allows feedback of the electromagnetic radiation emitted by the laser medium. The resonator is preferably a mirror resonator and more preferably a standing wave resonator. The resonator of the laser preferentially sets the direction of the induced Emission and thus the beam direction of the laser are fixed: photons emitted only along the resonator run back and forth several times in the resonator and primarily stimulate further emission running in this direction. On the other hand, a wavelength selection takes place through the resonator due to interference. A resonant wave has the same phase or a multiple of 2p as before after one resonator round trip and can therefore interfere constructively. Non-resonant waves, on the other hand, are damped by destructive interference, since all possible phase differences can occur after several round trips. The frequencies amplified by the resonator are the modes of the laser.
Weiterhin ist der Resonator und/oder die Messzelle derart ausgestaltet, dass das Spurengas in den Resonator einbringbar ist. Das Spurengas kann ein Gas oder ein Gasgemisch sein. Insbesondere kann das Spurengas in sehr geringen Konzentrationen vorliegen. In einer ersten bevorzugten Alternative ist vorgesehen, dass der Messaufbau die Messzelle umfasst, in die das Spurengas aufgenommen werden kann, und die Messzelle neben dem Lasermedium im Resonator anordnenbar ist und/oder angeordnet ist. Weiter alternativ kann auch bevorzugt vorgesehen sein, dass der Resonator in der Messzelle anordnenbar ist und/oder angeordnet ist. In anderen Worten wird also jeweils eine Vorrichtung für den Resonator verwendet und eine eigene Vorrichtung für die Messzelle. Derart kann auf einfache Weise durch Anordnen der einen Vorrichtung in der anderen Vorrichtung das Spurengas in den Resonator eingebracht werden. Alternativ kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Messzelle vom Resonator gebildet wird, also eine gemeinsame Vorrichtung vorhanden ist, die die Funktion des Resonators und der Messzelle übernimmt. In anderen Worten wird in dieser Ausgestaltung das Spurengas somit direkt vom Resonator aufgenommen. Der Resonator stellt also einen Raum zur Aufnahme des Spurengases bereit. Derart kann ohne zusätzliche Vorrichtung das Spurengas in den Resonator eingebacht werden. In diesem Falle ist der Resonator bevorzugt nicht nur derart ausgestaltet, dass der Resonator eine Rückkopplung der vom Lasermedium emittierten elektromagnetischen Strahlung erlaubt, sondern bevorzugt auch dazu ausgestaltet, das Spurengas in sich aufzunehmen. Furthermore, the resonator and/or the measuring cell is designed in such a way that the trace gas can be introduced into the resonator. The trace gas can be a gas or a gas mixture. In particular, the trace gas can be present in very low concentrations. In a first preferred alternative, it is provided that the measurement setup comprises the measurement cell, in which the trace gas can be accommodated, and the measurement cell can be and/or is arranged next to the laser medium in the resonator. As a further alternative, it can also preferably be provided that the resonator can be arranged and/or is arranged in the measuring cell. In other words, a device is used for the resonator and a separate device for the measuring cell. In this way, the trace gas can be introduced into the resonator in a simple manner by arranging one device in the other device. Alternatively, it can preferably be provided that the measuring cell is formed by the resonator, ie a common device is present which takes over the function of the resonator and the measuring cell. In other words, in this configuration, the trace gas is thus received directly by the resonator. The resonator therefore provides a space for absorbing the trace gas. In this way, the trace gas can be introduced into the resonator without an additional device. In this case, the resonator is preferably not only designed in such a way that the resonator allows feedback of the electromagnetic radiation emitted by the laser medium, but is also preferably designed to absorb the trace gas.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden, die zueinander in Konkurrenz stehen, zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden sind. Der Frequenzabstand zwischen den zwei direkt aufeinanderfolgenden Longitudinalmoden hängt von der Länge des Resonators ab, und wird auch als freier Spektralbereich bezeichnet. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die Messanordnung den Polarisationsstrahlteiler umfasst, und die zwei Moden die zwei linear polarisierten Moden sind, die orthogonale Polarisation zueinander aufweisen. In diesem Zusammenhang ist zudem bevorzugt vorgesehen, dass eine Verstärkungskurve des Lasers derart ist, dass genau zwei Moden in der Verstärkungskurve Platz haben. DieAccording to a preferred development of the invention, it is provided that the laser is designed in such a way that the two modes that are in competition with one another are two directly consecutive longitudinal modes. The frequency spacing between the two directly consecutive longitudinal modes depends on the length of the resonator and is also referred to as the free spectral range. This configuration is particularly advantageous when the measurement arrangement comprises the polarization beam splitter, and the two modes are the two linearly polarized modes having orthogonal polarization to each other. In this context, it is also preferably provided that an amplification curve of the laser is such that there is room for exactly two modes in the amplification curve. the
Verstärkungskurve, auch Gainkurve genannt, beschreibt die Frequenzabhängigkeit der Strahlungsverstärkung des Lasermedium. Die Verstärkungskurve hängt unter anderem vom Linienprofil des Laserüberganges ab. Ein Lasermedium, das einen Laserübergang bei einer Mittenfrequenz VL besitzt, emittiert nicht nur Photonen bei VL sondern auch (mit abnehmender Wahrscheinlichkeit) bei höheren und niedrigeren Frequenzen. Ursachen hierfür sind unter anderem die natürliche Linienbreite des Laserübergangs, Einflüsse derAmplification curve, also called gain curve, describes the frequency dependency of the radiation amplification of the laser medium. The amplification curve depends, among other things, on the line profile of the laser transition. A laser medium that has a lasing transition at a center frequency VL emits not only photons at VL but also (with decreasing probability) at higher and lower frequencies. Reasons for this are, among other things, the natural line width of the laser transition, influences of the
Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen im Lasermedium (Doppler- Verbreiterung, Doppler- Effekt) und Stöße zwischen den Teilchen im Lasermedium (Druckverbreiterung). Bevorzugt ist also vorgesehen, dass die Verstärkungskurve und der freie Spektralbereich derart aufeinander abgestimmt sind, dass vom Laser zwei aufeinanderfolgende Longitudinalmoden emittiert werden. Velocity distribution of the particles in the laser medium (Doppler broadening, Doppler effect) and collisions between the particles in the laser medium (pressure broadening). Provision is therefore preferably made for the amplification curve and the free spectral range to be matched to one another in such a way that two successive longitudinal modes are emitted by the laser.
Alternativ dazu, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden, die zueinander in Konkurrenz stehen, nicht zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden sind. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weitern bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Lasermedium zwei miteinander wechselwirkende Verstärkungskurven aufweist, wobei jeweils eine Mode in jeder Verstärkungskurve Platz hat. Bevorzugt ist also vorgesehen, dass die Verstärkungskurven und der freie Spektralbereich derart aufeinander abgestimmt sind, dass vom Laser zwei zueinander in Konkurrenz stehender Moden emittiert werden, die nicht zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden sind. As an alternative to this, according to a preferred development of the invention, it is provided that the laser is designed in such a way that the two modes that are in competition with one another are not two directly consecutive longitudinal modes. This configuration is particularly advantageous when the lasing medium provides multiple lasing transitions and the two modes are two modes with different lasing wavelengths. In this context, according to a further preferred development, it is provided that the laser medium has two amplification curves that interact with one another, with one mode having space in each amplification curve. Provision is therefore preferably made for the amplification curves and the free spectral range to be matched to one another in such a way that the laser emits two competing modes which are not two directly consecutive longitudinal modes.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laser derart ausgestaltet ist, dass eine Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases zwischen den Frequenzen der zwei Moden des Lasers liegt. Die Frequenz einer der zwei Moden des Lasers ist also nicht nur spektral in der Nähe des Absorptionsübergang des Spurengases, sondern der Laser ist auch bevorzugt derart ausgestaltet, dass eine der zwei Moden eine geringere Frequenz als die Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist und die andere Mode eine höhere Frequenz als die Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist. Dies ermöglicht, dass die Frequenz der Mode nur wenig geändert werden muss, damit die Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt. According to a preferred development of the invention, it is provided that the laser is designed in such a way that a frequency of the absorption transition of the trace gas lies between the frequencies of the two modes of the laser. The frequency of one of the two modes of the laser is therefore not only spectrally close to the absorption transition of the trace gas, but the laser is also preferably designed in such a way that one of the two modes has a lower frequency than the frequency of the absorption transition of the trace gas and the other mode has a higher frequency than the frequency of the absorption transition of the trace gas. This allows the frequency of the mode to be changed only slightly to match the frequency of the trace gas absorption transition.
In Zusammenhang mit den zwei linear polarisierten Moden ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Messanordnung den Polarisationsstrahlteiler umfasst, wobei der Polarisationsstrahlteiler dazu ausgestaltet ist, die elektromagnetische Strahlung des Lasers in einen die erste Mode aufweisenden ersten Anteil und einen die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteil aufzuteilen. Vorzugsweise wird der erste Anteil des Laserlichtes vom Polarisationsstrahlteiler reflektiert und der zweite Anteil des Laserlichtes vom Polarisationsstrahlteiler transmittiert oder umgekehrt. Da beide Moden aufgrund ihrer orthogonalen Polarisationen zueinander mittels des Polarisationsstrahlteilers getrennt werden, kann das Laserspektrum und die Veränderung des Laserspektrums durch die Absorption einfach erfasst werden. In connection with the two linearly polarized modes, according to a further preferred development of the invention, it is provided that the measuring arrangement comprises the polarization beam splitter, the polarization beam splitter being designed to divide the electromagnetic radiation of the laser into a first component having the first mode and a component the second mode share having second portion. The first portion of the laser light is preferably reflected by the polarization beam splitter and the second portion of the laser light is transmitted by the polarization beam splitter, or vice versa. Since both modes are separated from one another by means of the polarization beam splitter due to their orthogonal polarizations, the laser spectrum and the change in the laser spectrum due to absorption can be easily detected.
Hinsichtlich der Anordnung des Polarisationsstrahlteilers ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Polarisationsstrahlteiler in Strahlrichtung des Lasers neben dem Resonator angeordnet ist oder dass der Polarisationsstrahlteiler innerhalb des Resonators des Lasers angeordnet ist. Die Anordnung des Polarisationsstrahlteiler innerhalb des Resonators weist den Vorteil auf, dass die beiden Moden mit unterschiedlicher Polarisation einzeln durchstimmbar sind. Die Anordnung des Polarisationsstrahlteiler neben dem Resonator erlaubt dafür einen einfachen Zugriff auf den Polarisationsstrahlteiler. With regard to the arrangement of the polarization beam splitter, a preferred development of the invention provides that the polarization beam splitter is arranged in the beam direction of the laser next to the resonator or that the polarization beam splitter is arranged inside the resonator of the laser. The arrangement of the polarization beam splitter within the resonator has the advantage that the two modes with different polarization can be tuned individually. The arrangement of the polarization beam splitter next to the resonator allows easy access to the polarization beam splitter.
In Zusammenhang mit dem Resonator des Lasers ist bevorzugt vorgesehen, dass der Resonator wenigstens einen hochreflektierenden Spiegel und wenigstens einen Auskopplungsspiegel umfasst. Der Auskopplungsspiegel weist bevorzugt für wenigstens eine Wellenlänge eine Spiegelreflektivität von weniger als 100% auf. Derart tritt am Auskopplungsspiegel die vom Laser erzeugte elektromagnetische Strahlung aus. In connection with the resonator of the laser, it is preferably provided that the resonator comprises at least one highly reflecting mirror and at least one outcoupling mirror. The output mirror preferably has a mirror reflectivity of less than 100% for at least one wavelength. In this way, the electromagnetic radiation generated by the laser emerges from the outcoupling mirror.
In Zusammenhang mit der Anordnung des Polarisationsstrahlteiler neben dem Resonator ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass der Polarisationsstrahlteiler neben dem Auskopplungsspiegel angeordnet ist. In Zusammenhang mit der Anordnung des Polarisationsstrahlteiler innerhalb des Resonators ist bevorzugt vorgesehen, dass der Resonator wenigstens einen hochreflektierenden Spiegel umfasst und wenigstens zwei Auskopplungsspiegel umfasst. In connection with the arrangement of the polarization beam splitter next to the resonator, it is further preferably provided that the polarization beam splitter is arranged next to the outcoupling mirror. In connection with the arrangement of the polarization beam splitter within the resonator, it is preferably provided that the resonator comprises at least one highly reflective mirror and comprises at least two outcoupling mirrors.
In Zusammenhang mit der Ausgestaltung des Lasers, bei dem das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind, ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass der Resonator wenigstens einen Spiegel aufweist, dessen Spiegelreflektivität für die unterschiedlichen Laserwellenlängen unterschiedlich hoch ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Spiegel mit unterschiedlicher Spiegelreflektivität um den Auskopplungsspiegel. Weiter bevorzugt ist die Spiegelreflektivität für die erste Mode, also jene die in ihrer Frequenz derart verändert wird, dass sie mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt, höher als für die zweite Mode. Bevorzugt ist die Spiegelreflektivität für die erste Mode derart hoch, dass der Auskopplungsspiegel für die erste Mode als hochreflektierender Spiegel wirkt. Derart tritt am Auskopplungsspiegel lediglich die zweite Mode aus. Die unterschiedliche Spiegelreflektivität für die unterschiedlichen Laserwellenlängen ermöglicht somit die Empfindlichkeit zu erhöhen und vereinfacht zudem das Erfassen der Intensität der zweiten Mode. In connection with the design of the laser, in which the laser medium provides several laser transitions and the two modes are two modes with different laser wavelengths, it is further preferably provided that the resonator has at least one mirror, the mirror reflectivity of which is different for the different laser wavelengths. The mirror with different mirror reflectivity is preferably the outcoupling mirror. More preferably, the mirror reflectivity for the first mode, ie that whose frequency is changed in such a way that it matches the frequency of the absorption transition of the trace gas, is higher than for the second mode. The mirror reflectivity for the first mode is preferably so high that the output mirror for the first mode acts as a highly reflective mirror. In this way, only the second mode exits at the output mirror. The different mirror reflectivity for the different laser wavelengths thus makes it possible to increase the sensitivity and also simplifies the detection of the intensity of the second mode.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass der Resonator durchstimmbar und/oder längenverstellbar ist. Dies ermöglicht die Frequenz wenigstens einer der zwei Moden zu verändern. Bezüglich der Längenveränderung des Resonators ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass Vorrichtungen zum Heizen und/oder Kühlen vorgesehen sind, mittels denen die Länge des Resonators verändert werden kann. Vorzugsweise sind piezogesteuerte Spiegelaktuatoren vorgesehen. Provision is also preferably made for the resonator to be tunable and/or adjustable in length. This allows changing the frequency of at least one of the two modes. With regard to the change in length of the resonator, it is further preferably provided that devices for heating and/or cooling are provided, by means of which the length of the resonator can be changed. Piezo-controlled mirror actuators are preferably provided.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Messanordnung wenigstens einen Detektor zum Erfassen einer Intensität der elektromagnetischen Strahlung, wobei der Detektor derart angeordnet ist, dass eine Intensität eines die erste Mode aufweisenden ersten Anteils und/oder eine Intensität eines die zweite Mode ausweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung des Lasers erfassbar ist. According to a further preferred development of the invention, the measuring arrangement comprises at least one detector for detecting an intensity of the electromagnetic radiation, the detector being arranged in such a way that an intensity of a first component exhibiting the first mode and/or an intensity of a second component exhibiting the second mode of the electromagnetic radiation of the laser can be detected.
Für den Fall, dass der Laser zwei zueinander orthogonal polarisierte Moden emittiert ist bevorzugt vorgesehen, dass die Messanordnung zwei Detektoren zum Erfassen der Intensität der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei die Detektoren derart angeordnet sind, dass die Intensität des die erste Mode aufweisenden ersten Anteils und des die zweite Mode ausweisenden zweiten Anteils der durch den Polarisationsstrahlteiler aufgeteilten elektromagnetische Strahlung des Lasers erfassbar ist. In anderen Worten sind die Detektoren also derart angeordnet, dass die zwei Anteile des Laserlichtes einzeln detektierbar sind. Bei einem Polarisationsstrahlteiler der einen Anteil des Laserlichtes transmittiert und den anderen reflektiert, ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Detektor in Transmissionsrichtung neben dem Polarisationsstrahlteiler angeordnet ist und der andere Detektor in Reflexionsrichtung neben dem Polarisationsstrahlteiler angeordnet ist. In the event that the laser emits two mutually orthogonally polarized modes, it is preferably provided that the measuring arrangement comprises two detectors for detecting the intensity of the electromagnetic radiation, the detectors being arranged in such a way that the intensity of the first component having the first mode and of the the second portion of the split by the polarization beam splitter exhibiting the second mode electromagnetic radiation of the laser can be detected. In other words, the detectors are arranged in such a way that the two components of the laser light can be detected individually. In the case of a polarization beam splitter that transmits one portion of the laser light and reflects the other, it is preferably provided that one detector is arranged next to the polarization beam splitter in the transmission direction and the other detector is arranged next to the polarization beam splitter in the reflection direction.
Für den Fall, dass das Lasermedium mehrere Laserübergänge bereitstellt und der Laser zwei Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge emittiert, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Messanordnung einen Detektor zum Erfassen wenigstens einer Intensität umfasst. Grundsätzlich kann ein Detektor verwendet werden, der derart ausgestaltet ist, dass die Intensität beider Laserwellenlängen erfassbar ist. Besonders bevorzugt wird ein Detektor verwendet, der derart ausgestaltet ist, dass lediglich die Intensität einer Laserwellenlänge erfassbar ist. Wird beispielsweise ein Helium-Neon Laser verwendet, der die zwei zueinander konkurrierenden Moden der Laserübergänge bei 632,816 nm und bei 3392,2 nm emittiert, wird als Detektor bevorzugt eine Si-Photodiode verwendet, da diese die Strahlung im mittleren IR - also bei 3392,2 nm nicht detektieren kann. In the event that the laser medium provides several laser transitions and the laser emits two modes with different laser wavelengths, it is preferably provided that the measuring arrangement comprises a detector for detecting at least one intensity. In principle, a detector can be used which is designed in such a way that the intensity of both laser wavelengths can be detected. A detector is particularly preferably used which is designed in such a way that only the intensity of a laser wavelength can be detected. If, for example, a helium-neon laser is used, which emits the two competing modes of the laser transitions at 632.816 nm and at 3392.2 nm, a Si photodiode is preferably used as a detector, since this detects the radiation in the middle IR - i.e. at 3392, 2 nm cannot detect.
Weiterhin ist in diesem Zusammenhang bevorzugt vorgesehen, dass die Messanordnung einen Spektralfilter umfasst. Dieser ermöglicht eine der zwei Laserwellenlänge durchzulassen und die andere Laserwellenläge auszublenden. Bei Anordnung des Spektralfilters vor dem Detektor, kann auch bei Laserwellenlägen die spektral nahe beieinanderliegen und deren Intensitäten entsprechende vom Detektor erfasst würden, derart auf einfache Weise ein Detektor bereitgestellt werden, der lediglich die Intensität einer Laserwellenlänge erfasst. Furthermore, it is preferably provided in this connection that the measuring arrangement comprises a spectral filter. This allows one of the two laser wavelengths to pass and the other laser wavelength to be blocked out. If the spectral filter is arranged in front of the detector, a detector that only detects the intensity of one laser wavelength can be provided in a simple manner even with laser wavelengths that are spectrally close together and whose intensities would be detected accordingly by the detector.
Grundsätzlich kann das Lasermedium fest, flüssig oder gasförmig sein - sprich grundsätzlich kann es sich beim Laser um einen Festkörperlaser, Halbleiterlaser, Raman-Laser, Farbstofflaser oder Gaslaser handeln. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist allerdings vorgesehen, dass das Lasermedium gasförmig ist und Gasdruck, Gastemperatur und/oder Gasmischverhältnis des Lasermediums derart ist, dass genau zwei Moden emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist. Wie bereits erwähnt, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verstärkungskurve des Lasers derart ist, dass genau zwei Moden in der Verstärkungskurve Platz haben oder dass das Lasermedium zwei miteinander wechselwirkende Verstärkungskurven aufweist, wobei jeweils eine Mode in jeder Verstärkungskurve Platz hat. Durch Verändern des Gasdrucks, der Gastemperatur und/oder des Gasmischverhältnisses kann die Breite der Verstärkungskurve und/oder Verstärkungskurven angepasst werden, so dass genau zwei Moden in der Verstärkungskurve Platz haben oder dass jeweils eine Mode in jeder Verstärkungskurve Platz hat. In principle, the laser medium can be solid, liquid or gaseous - i.e. the laser can basically be a solid-state laser, semiconductor laser, Raman laser, dye laser or gas laser. According to a preferred development, however, it is provided that the laser medium is gaseous and the gas pressure, gas temperature and/or gas mixing ratio of the laser medium is such that exactly two modes are emitted that compete with one another, with one of the two modes having a frequency close to the Has absorption transition of the trace gas. As already mentioned, it is preferably provided that the amplification curve of the laser is such that exactly two modes have space in the amplification curve or that the laser medium has two interacting modes Has amplification curves, one mode in each amplification curve has space. By changing the gas pressure, the gas temperature and/or the gas mixing ratio, the width of the gain curve and/or gain curves can be adjusted so that there is room for exactly two modes in the gain curve or that there is room for one mode in each gain curve.
Insbesondere bei schmalen Verstärkungskurven ist bevorzugt vorgesehen, die Verstärkungskurve zu verbreitern. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass sich das Lasermedium in einem Magnetfeld, elektrischen Feld und/oder elektromagnetischen Feld befindet, und das Magnetfeld, elektrische Feld und/oder elektromagnetische Feld derart ist, dass vom Laser genau zwei Moden emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist. Das Magnetfeld führt aufgrund des Zeeman-Effektes zu einer Verbreiterung der Verstärkungskurve des Lasermediums, so dass die Breite der Verstärkungskurve an den freien Spektralbereich angepasst werden kann. Das elektrische Feld führt aufgrund des Stark-Effektes zu einer Verbreiterung der Verstärkungskurve des Lasermediums, so dass die Breite der Verstärkungskurve an den freien Spektralbereich angepasst werden kann. Das magnetische, elektrische und/oder elektromagnetische Feld kann ein statisches Feld oder ein Wechselfeld sein. Bei elektrischen Wechselfeldern führt insbesondre der AC-Strak-Effekt zu einer Verbreiterung der Verstärkungskurve. Das Magnetfeld, das elektrische Feld und/oder das elektromagnetische Feld können nicht nur zur Verbreiterung der Verstärkungskurve verwendet werden, sondern auch um die Verstärkungskurve zu verschieben und derart zu kontrollieren, dass vom Laser genau zwei Moden emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges des Spurengases aufweist. In the case of narrow amplification curves in particular, it is preferably provided that the amplification curve be broadened. In this context, according to a further preferred development of the invention, it is provided that the laser medium is located in a magnetic field, electric field and/or electromagnetic field, and the magnetic field, electric field and/or electromagnetic field is such that the laser has exactly two modes are emitted in competition with one another, with one of the two modes having a frequency close to the absorption transition of the trace gas. Due to the Zeeman effect, the magnetic field leads to a broadening of the amplification curve of the laser medium, so that the width of the amplification curve can be adapted to the free spectral range. Due to the Stark effect, the electrical field leads to a broadening of the amplification curve of the laser medium, so that the width of the amplification curve can be adapted to the free spectral range. The magnetic, electric and/or electromagnetic field can be a static field or an alternating field. In the case of alternating electrical fields, the AC Strak effect in particular leads to a broadening of the amplification curve. The magnetic field, the electric field and/or the electromagnetic field can be used not only to broaden the gain curve, but also to shift the gain curve and control it in such a way that the laser emits exactly two modes that compete with each other, where one of the two modes has a frequency close to the absorption transition of the tracer gas.
In diesem Zusammenhang kann weiter bevorzugt vorgesehen sein, dass sich das Spurengas in einem Magnetfeld, elektrischen Feld und/oder elektromagnetische Feld befindet und das Magnetfeld, elektrische Feld und/oder elektromagnetische Feld derart ist, dass die Frequenz des Absorptionsübergang des Spurengases in der Nähe von einer der zwei Moden des Lasers ist. Nicht nur die Emission des Lasers kann über das Magnetfeld, elektrische Feld und/oder elektromagnetische Feld kontrolliert werden, sondern auch die Lage und Breite des Absorptionsübergangs des Spurengases. Bei dem Feld, das zur Kontrolle des Absorptionsübergangs des Spurengases verwendet wird, kann es sich um das gleiche Feld handeln wie zur Kontrolle der Emission des Lasers verwendet wird oder um ein anderes Feld. In this context, it can further preferably be provided that the trace gas is in a magnetic field, electric field and/or electromagnetic field and the magnetic field, electric field and/or electromagnetic field is such that the frequency of the absorption transition of the trace gas is in the vicinity of is one of the two modes of the laser. Not only the emission of the laser can be controlled via the magnetic field, electric field and/or electromagnetic field, but also the position and width of the absorption transition of the trace gas. At the field used to control the The absorption transition of the trace gas is used, it can be the same field as used to control the emission of the laser or it can be a different field.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lasermedium ausgewählt ist aus der Gruppe umfassen Helium-Neon-Gasgemische, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoff, Edelgas, Metalldämpfe, Helium- Cadmium-Gasgemische, und Edelgashalogenide. According to a further preferred development of the invention, it is provided that the laser medium is selected from the group consisting of helium-neon gas mixtures, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, noble gas, metal vapors, helium-cadmium gas mixtures and noble gas halides.
Bezüglich der Messzelle ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Messzelle derart ausgestaltet ist, dass ein Druck des Spurengases in der Messzelle veränderbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Druck des Spurengases in der Messzelle vermindert werden kann. Derart kann bei einem Spurengas, das mehrere Spurengasspezies umfasst, durch Verminderung der Stoßverbreiterung eine spektrale Trennung der Absorptionslinien der unterschiedlichen Spurengasspezies erreicht werden. Insbesondere können derart auch die Absorptionsübergänge einzelner Isotope eines Isotopengemisches eines Spurengases spektral aufgelöst werden. With regard to the measuring cell, according to a further preferred development of the invention, it is provided that the measuring cell is designed in such a way that a pressure of the trace gas in the measuring cell can be changed. This has the advantage that the pressure of the trace gas in the measuring cell can be reduced. In this way, a spectral separation of the absorption lines of the different trace gas species can be achieved in a trace gas that comprises several trace gas species by reducing the collision broadening. In particular, the absorption transitions of individual isotopes of an isotope mixture of a trace gas can also be spectrally resolved in this way.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die Länge des Resonators derart gewählt ist, dass genau zwei zueinander konkurrierende Moden anschwingen können. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lasermedium ein Helium- Neon-Gasgemisch ist und der Resonator eine Länge von 20 mm aufweist. Aufgrund der Länge des Resonators von 20 mm weisen zwei aufeinanderfolgenden Longitudinalmoden einen Frequenzabstand von 7,5 GHz auf. Da der Helium-Neon Laser intrinsisch eine sehr schmale Verstärkungskurve mit einer Halbwertsbreite von etwa 1,5 GHz aufweist, ist bevorzugt vorgesehen, dass durch das Magnetfeld die Verstärkungskurve auf etwa 20 GHz verbreitert ist. Derart werden vom Laser zwei im Frequenzabstand von 7,5 GHz aufeinanderfolgende Longitudinalmoden emittiert. Provision is also preferably made for the length of the resonator to be selected in such a way that exactly two competing modes can oscillate. According to a further preferred development of the invention, it is provided that the laser medium is a helium-neon gas mixture and the resonator has a length of 20 mm. Because the resonator is 20 mm long, two consecutive longitudinal modes have a frequency spacing of 7.5 GHz. Since the helium-neon laser intrinsically has a very narrow amplification curve with a half-width of approximately 1.5 GHz, it is preferably provided that the amplification curve is broadened to approximately 20 GHz by the magnetic field. In this way, the laser emits two consecutive longitudinal modes with a frequency spacing of 7.5 GHz.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass der Resonator ein Etalon umfasst, und das Etalon dazu ausgestaltet ist, einen Wellenlängenbereich im Resonator einzuschränken. Derart kann durch das Etalon im Resonator bewirkt werden, das der Laser derart ausgestaltet ist, dass genau zwei zueinander konkurrierende Moden emittiert werden. Dies hat den Vorteil, das die Länge des Resonators beliebig lange sein kann, so dass im Resonator ausreichend Platz vorhanden ist, das Spurengas in den Resonator einzubringen. Weiterhin wird durch einen langen Resonator die Absorptionsstrecke verlängert, so dass die Messanordnung eine besonders hohe Empfindlichkeit ermöglicht. It is further preferably provided that the resonator comprises an etalon, and the etalon is designed to limit a wavelength range in the resonator. In this way, the etalon in the resonator can be used to design the laser in such a way that exactly two competing modes are emitted. This has the advantage that the length of the resonator can be as long as desired, so that there is sufficient space in the resonator to introduce the trace gas into the resonator. Furthermore, the by a long resonator Extended absorption distance, so that the measuring arrangement enables a particularly high sensitivity.
In Zusammenhang mit dem Verfahren zum Überwachen des Spurengases mittels der obigen Messanordnung ist bevorzugt vorgesehen, dass der Schritt Verändern der Frequenz der ersten Mode, derart dass ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt ein Verändern der Länge des Resonators, ein verändern eines Magnetfeldes, elektrischen Feldes und/oder elektromagnetischen Feldes um das Lasermedium, ein Verändern eines Druckes des Lasermediums und/oder ein Verändern einer Temperatur des Lasermediums umfasst. Diese Maßnahmen führen dazu, dass sich die Frequenzen der ersten Mode verschiebt. In connection with the method for monitoring the trace gas using the above measuring arrangement, it is preferably provided that the step of changing the frequency of the first mode such that its frequency matches the frequency of the absorption transition of the trace gas, changing the length of the resonator, changing a magnetic field , electric field and/or electromagnetic field around the laser medium, changing a pressure of the laser medium and/or changing a temperature of the laser medium. These measures cause the frequencies of the first mode to shift.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Verfahren den Schritt verändern einer Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases umfasst. Durch Anlegen eines Magnetfeldes, elektrischen Feldes und/oder elektromagnetischen Feldes um das Spurengas kann auch die Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases verändert werden. Derart kann das ebenfalls erleichtert werden, dass die Frequenz der ersten Mode mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Spurengases übereinstimmt. Furthermore, according to a preferred development, it is provided that the method includes the step of changing a frequency of the absorption transition of the trace gas. The frequency of the absorption transition of the trace gas can also be changed by applying a magnetic field, electric field and/or electromagnetic field around the trace gas. This can also be facilitated in such a way that the frequency of the first mode coincides with the frequency of the absorption transition of the trace gas.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Schritt Erfassen der Intensität des die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung, ein kontinuierliches Erfassen der Intensität des die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteils beim Verändern der Frequenz der ersten Mode umfasst. In anderen Worten wird also während des Abtastens des Absorptionsüberganges des Spurengases mit der ersten Mode, die Intensität der zweiten Mode erfasst. Besonders bevorzugt wird die Veränderung der Intensität der zweiten Moden beim Verändern der Frequenz der ersten Mode erfasst. According to a further preferred development of the method, it is provided that the step of detecting the intensity of the second portion of the electromagnetic radiation having the second mode includes continuously detecting the intensity of the second portion having the second mode when changing the frequency of the first mode. In other words, the intensity of the second mode is recorded during the scanning of the absorption transition of the trace gas with the first mode. The change in the intensity of the second modes is particularly preferably detected when the frequency of the first mode changes.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren den Schritt vermindern eines Druckes des Spurengases in der Messzelle umfasst. In anderen Worten wird also bevorzugt nachdem das Spurengas in die Messzelle eingebracht ist, der Druck des Spurengases in der Messzelle vermindert. Dies führt dazu, dass die Stoßverbreiterung der Absorptionslinien des Spurengases verringert wird. Derart kann bei mehreren Spurengasspezies eine spektrale Trennung der Absorptionslinien der unterschiedlichen Spurengasspezies erreicht werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Überwachen des Spurengases unter Berücksichtigung der erfassten Intensität des die zweite Mode aufweisenden zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung ein Identifizieren des Spurengases, ein Ermitteln einer Konzentration des Spurengases und/oder ein Ermitteln einer Teilchenzahldichte des Spurengases umfasst. Das Verfahren ermöglicht also auf einfache Weise, nämlich durch Erfassen der Intensität der zweiten Mode, das Absorptionsspektrum des Spurengases zu erhalten, mittels dessen das Spurengas identifiziert werden kann und/oder die Konzentration und/oder die Teilchenzahldichte des Spurengases bestimmt werden kann. Insbesondere können mit der Messanordnung und dem Verfahren auch einzelne Isotope eines Isotopengemisches eines Spurengases identifiziert und deren Anteile quantifiziert werden. According to a further preferred development of the method, it is provided that the method includes the step of reducing a pressure of the trace gas in the measuring cell. In other words, the pressure of the trace gas in the measuring cell is preferably reduced after the trace gas has been introduced into the measuring cell. This leads to the fact that the collision broadening of the absorption lines of the trace gas is reduced. In this way, with several trace gas species, a spectral separation of the absorption lines of the different trace gas species can be achieved. According to a further preferred development, it is provided that the monitoring of the trace gas, taking into account the detected intensity of the second portion of the electromagnetic radiation having the second mode, includes identifying the trace gas, determining a concentration of the trace gas and/or determining a particle number density of the trace gas. The method thus enables the absorption spectrum of the trace gas to be obtained in a simple manner, namely by detecting the intensity of the second mode, by means of which the trace gas can be identified and/or the concentration and/or the particle number density of the trace gas can be determined. In particular, the measuring arrangement and the method can also be used to identify individual isotopes of an isotope mixture of a trace gas and to quantify their proportions.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail beschreiben. The invention is described in more detail below using a preferred exemplary embodiment of the invention with reference to the drawings.
In den Zeichnungen zeigt In the drawings shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur intra-cavity1 shows a schematic representation of a measuring arrangement for the intra-cavity
Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Absorption spectroscopy on a trace gas, according to a preferred embodiment of the invention,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Verstärkungskurve eines Lasers derFig. 2 is a schematic representation of a gain curve of a laser of
Messanordnung aus Figur 1, Measuring arrangement from Figure 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur intra-cavity3 shows a schematic representation of a measuring arrangement for the intra-cavity
Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Absorption spectroscopy on a trace gas, according to a further preferred embodiment of the invention,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur intra-cavity4 shows a schematic representation of a measuring arrangement for the intra-cavity
Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Absorption spectroscopy on a trace gas, according to a further preferred embodiment of the invention,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Verstärkungskurve eines Lasers derFig. 5 is a schematic representation of a gain curve of a laser of
Messanordnung aus Figur 4, und Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur intra-cavityMeasuring arrangement from Figure 4, and 6 shows a schematic representation of a measuring arrangement for the intra-cavity
Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Absorption spectroscopy on a trace gas, according to a further preferred embodiment of the invention.
In Figur 1 ist schematisch eine Messanordnung 10 zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas 12, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Messanordnung 10 umfasst einen Laser 14 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung 16. In Strahlrichtung 26 des Lasers 14 ist neben dem Laser 14 ein Polarisationsstrahlteiler 18 angeordnet. Der Laser umfasst einen Resonator 24 und ein Lasermedium 22, wobei das Lasermedium in dem Resonator 24 angeordnet ist. Das Lasermedium 22 ist vorliegend ein Helium-Neon Gasgemisch. Weiterhin befindet sich im Resonator 24 das Spurengas 12, vorliegend Methan. In diesem Ausführungsbeispiel übernimmt der Resonator 24 die Funktion einer Messzelle 20, in die das Spurengas 12 aufgenommen ist, in dem der Resonator 24 einen Raum zur Aufnahme des Spurengases 12 bereitstellt. Der Resonator 24 umfasst zwei Spiegel 24a und 24b, wobei aufgrund einer Spiegelreflektivität des einen Spiegels 24b von weniger als 100%, dieser Spiegel als Auskopplungsspiegel 24b für die elektromagnetische Strahlung 16 fungiert und derart die Strahlrichtung 26 des Lasers festlegt. FIG. 1 shows a schematic of a measurement arrangement 10 for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas 12 according to a preferred exemplary embodiment of the invention. The measuring arrangement 10 comprises a laser 14 for generating electromagnetic radiation 16. In the beam direction 26 of the laser 14, a polarization beam splitter 18 is arranged next to the laser 14. The laser comprises a resonator 24 and a laser medium 22, the laser medium being arranged in the resonator 24. FIG. In the present case, the laser medium 22 is a helium-neon gas mixture. Also located in the resonator 24 is the trace gas 12, in this case methane. In this exemplary embodiment, the resonator 24 assumes the function of a measuring cell 20 in which the trace gas 12 is accommodated, in which the resonator 24 provides a space for accommodating the trace gas 12 . The resonator 24 includes two mirrors 24a and 24b, due to a mirror reflectivity of a mirror 24b of less than 100%, this mirror acts as a decoupling mirror 24b for the electromagnetic radiation 16 and thus defines the beam direction 26 of the laser.
Der Laser 14 der vorliegenden Messanordnung 10 ist derart ausgestaltet, dass vom Laser 14 genau zwei zueinander konkurrierende Moden 28a, 28b emittiert werden, wobei es sich vorliegen um zwei linear polarisierte Moden 27a, 27b handelt, die eine orthogonale Polarisationen zueinander aufweisen. Weiterhin weisen die zwei Moden 28a, 28b eine Frequenz in der Nähe eines Absorptionsüberganges 30 des Spurengases 12 auf. Der Helium-Neon Laser weist einen Laserübergang bei 3,39 pm auf, was dem Übergang des 3s2-Energiezustandes in den 3p4-Energiezustand des Neon Atoms entspricht. Die 3,39 pm sind in der Nähe des P(7)- Überganges des V3-Rotations-Schwingungsüberganges 30 des Methans bei etwa 3,39 pm. The laser 14 of the present measurement arrangement 10 is designed in such a way that the laser 14 emits exactly two competing modes 28a, 28b, these being two linearly polarized modes 27a, 27b which have orthogonal polarizations to one another. Furthermore, the two modes 28a, 28b have a frequency in the vicinity of an absorption transition 30 of the trace gas 12. The helium-neon laser exhibits a lasing transition at 3.39 pm, which corresponds to the transition from the 3s 2 energy state to the 3p 4 energy state of the neon atom. The 3.39 pm is near the P(7) transition of the methane V3 rotational vibrational transition 30 at about 3.39 pm.
Der Polarisationsstrahlteiler 18 der Messanordnung 10 ist dazu ausgestaltet, die elektromagnetische Strahlung 16 des Lasers 14 in einen die erste Mode 27a, 28a aufweisenden ersten Anteil 32a und einen die zweite Mode 27b, 28b ausweisenden zweiten Anteil 32b aufzuteilen. Vorliegend wird der erste Anteil 32a der elektromagnetischen Strahlung 16 des Lasers 14 vom Polarisationsstrahlteiler 18 transmittiert und der zweite Anteil 32b durch Reflexion abgelenkt. Weiterhin umfasst die Messanordnung 10 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Detektoren 34a, 34b die derart angeordnet sind, dass der erste Anteil 32a vom einen Detektor 34a und der zweite Anteil 32b vom anderen Detektoren 34b erfasst wird. Der erste Detektor 34a detektiert also den parallel polarisierten || Anteil 32a und der zweite Detektor 34b den senkrecht polarisierten 1 Anteil 32b der elektromagnetischen Strahlung 16. The polarization beam splitter 18 of the measuring arrangement 10 is designed to split the electromagnetic radiation 16 of the laser 14 into a first portion 32a having the first mode 27a, 28a and a second portion 32b having the second mode 27b, 28b. In the present case, the first portion 32a of the electromagnetic radiation 16 of the laser 14 is transmitted by the polarization beam splitter 18 and the second portion 32b is deflected by reflection. Furthermore, the measurement arrangement 10 includes in this preferred Embodiment two detectors 34a, 34b which are arranged such that the first portion 32a is detected by a detector 34a and the second portion 32b by the other detector 34b. The first detector 34a thus detects the parallel polarized || Part 32a and the second detector 34b the perpendicularly polarized 1 part 32b of the electromagnetic radiation 16.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verstärkungskurve 36 des Lasers 14 aus Figur 1. Auf der x-Achse 38 des Diagrammes in Figur 2 ist die Frequenz aufgetragen, auf der y-Achse 40 die Leistung. Weiterhin ist in Figur 2 die Laserschwelle 42 eingezeichnet, die die minimal notwendige Pumpleistung des Lasers 14 darstellt, bei der sich Gewinn durch Energiezufuhr und Verlust durch Absorption im Lasermedium 22 und durch Auskopplung der erzeugten elektromagnetischen Strahlung 16 gerade ausgleichen. Die Laserschwelle 42 gibt damit den Punkt an, über dem der Laser 14 zu arbeiten beginnt. FIG. 2 shows a schematic representation of an amplification curve 36 of the laser 14 from FIG. 1. The frequency is plotted on the x-axis 38 of the diagram in FIG. 2, and the power is plotted on the y-axis 40. Furthermore, the laser threshold 42 is shown in FIG. 2, which represents the minimum necessary pump power of the laser 14 at which gain through energy supply and loss through absorption in the laser medium 22 and through outcoupling of the generated electromagnetic radiation 16 just balance out. Laser threshold 42 thus indicates the point above which laser 14 begins to operate.
In Figur 2 sind zudem die Longitudinalmoden 31 eingezeichnet. Da der Resonator 24 des Lasers 14 im vorliegenden Ausführungsbeispiel 20 mm lang ist, weisen zwei aufeinanderfolgende Longitudinalmoden 31 einen Frequenzabstand 44 von etwa 7,5 GHz auf. Da der Helium-Neon Laser intrinsisch eine schmale Verstärkungskurve 36 mit einer Halbwertsbreite von etwa 1,5 GHz aufweist, ist beim Laser 14 vorliegend die Verstärkungskurve 36 mittels eins Magnetfeldes (nicht dargestellt) auf etwa 20 GHz verbreitert 46, was zu einem freien Spektralbereich von 8 GHz führt. Derart werden vom Laser 14 genau zwei im Frequenzabstand von 7,5 GHz aufeinanderfolgende Longitudinalmoden 31, 28a, 28b emittiert, die eine orthogonale Polarisationen zueinander aufweisen. Vorliegend ist die erste Longitudinalmoden 28a, 27a, 31 parallel polarisiert || ist und die zweite Longitudinalmoden 28b, 27b, 31 senkrecht polarisiert 1. Zudem ist in Figur 2 ersichtlich, dass der Absorptionsübergang 30 des Methans spektral zwischen den beiden aufeinanderfolgende Moden 28a, 28b liegt. The longitudinal modes 31 are also shown in FIG. Since the resonator 24 of the laser 14 is 20 mm long in the present exemplary embodiment, two consecutive longitudinal modes 31 have a frequency spacing 44 of approximately 7.5 GHz. Since the helium-neon laser intrinsically has a narrow amplification curve 36 with a half-width of approximately 1.5 GHz, the amplification curve 36 of the laser 14 is broadened to approximately 20 GHz by means of a magnetic field (not shown), resulting in a free spectral range of 8 GHz leads. In this way, exactly two longitudinal modes 31, 28a, 28b that follow one another at a frequency spacing of 7.5 GHz are emitted by the laser 14 and have polarizations that are orthogonal to one another. In the present case, the first longitudinal mode 28a, 27a, 31 is polarized in parallel || and the second longitudinal modes 28b, 27b, 31 perpendicularly polarized 1. It can also be seen in FIG. 2 that the absorption transition 30 of the methane lies spectrally between the two successive modes 28a, 28b.
Der Resonator 24 des Lasers 14 ist längenverstellbar, so dass durch Veränderung der Länge des Resonators die Frequenz der zwei Moden 28a, 28b verändert werden kann, was in Figur 2 durch den Pfeile 48 schematisch dargestellt ist. Beim Verfahren zur Überwachung des Spurengases 12 wird die Länge des Resonators 24 derart verändert bis eine der beiden Moden 28a, 28b - vorliegend die erste Mode 28a - des Lasers 14 in ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges 30 des Spurengases 12 übereinstimmt und entsprechend vom Spurengas 30 absorbiert wird. Die dadurch auftretende Veränderung der Intensität der zweiten Mode 28b kann aufgrund der unterschiedlichen Polarisationen der Moden 28a, 28b kontinuierlich mittels den Detektoren 34a und 34b erfasst werden. Bei Absorption der ersten Mode 28a wird die verfügbare Pumpleistung des Lasers 14 für die zweite Mode 28b verwendet. The length of the resonator 24 of the laser 14 can be adjusted, so that the frequency of the two modes 28a, 28b can be changed by changing the length of the resonator, which is shown schematically by the arrow 48 in FIG. In the method for monitoring the trace gas 12, the length of the resonator 24 is changed in such a way that one of the two modes 28a, 28b - in this case the first mode 28a - of the laser 14 corresponds in its frequency to the frequency of the absorption transition 30 of the trace gas 12 and accordingly from the trace gas 30 is absorbed. The resulting change in the intensity of the second Due to the different polarizations of the modes 28a, 28b, mode 28b can be detected continuously by means of the detectors 34a and 34b. When the first mode 28a is absorbed, the available pump power of the laser 14 is used for the second mode 28b.
Figur 3 zeigt schematisch eine weitere Messanordnung 10 zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an dem Spurengas 12 (nicht dargestellt), gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Messanordnung 10 in Figur 3 unterscheidet sich von der Messordnung 10 in Figur 1 dahingehend, dass der Polarisationsstrahlteiler 18 nicht neben dem Laser 14, sondern innerhalb des Resonators 24 des Lasers 14 angeordnet ist. Der Resonator 24 umfasst drei Spiegel 24a, 24b, wobei zwei Spiegel davon Auskopplungsspiegel 24b sind. Die Auskopplungsspiegel 24b sind über piezogesteuerte Spiegelaktuatoren (nicht dargestellt) verschiebbar, so dass die erste Mode 27a, 28a unabhängig von der zweiten Mode 27b, 28b in ihrer Frequenz veränderbar ist und umgekehrt. FIG. 3 schematically shows a further measurement arrangement 10 for intra-cavity absorption spectroscopy on the trace gas 12 (not shown), according to a preferred exemplary embodiment of the invention. The measuring arrangement 10 in FIG. 3 differs from the measuring arrangement 10 in FIG. The resonator 24 comprises three mirrors 24a, 24b, two mirrors of which are output mirrors 24b. The outcoupling mirrors 24b can be moved via piezo-controlled mirror actuators (not shown), so that the frequency of the first mode 27a, 28a can be changed independently of the second mode 27b, 28b and vice versa.
In Figur 4 ist schematisch eine weitere Messanordnung 10 zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an dem Spurengas 12, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zur Messanordnung 10 aus Figur 1, umfasst die Messanordnung des vorliegenden Ausführungsbeispiel keinen Polarisationsstrahlteiler 18. Weiterhin ist der Laser 14 des vorliegenden Ausführungsbeispiel derart ausgestaltet, dass der Laser 14 genau zwei Moden 28a, 28b emittiert, wobei die erste Moden 28a eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges 30 des Spurengases 12 aufweist, wobei die zwei Moden 28a, 28b zueinander in Konkurrenz stehen, und wobei das Lasermedium 22 mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden 28a, 28b zwei Moden 29a, 29b mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. Das Lasermedium 22 ist vorliegend ein Helium-Neon Gasgemisch. Weiterhin befindet sich im Resonator 24 das Spurengas 12, vorliegend Methan. FIG. 4 shows another measurement arrangement 10 for intra-cavity absorption spectroscopy on the trace gas 12, according to a preferred exemplary embodiment of the invention. In contrast to the measuring arrangement 10 from Figure 1, the measuring arrangement of the present exemplary embodiment does not include a polarization beam splitter 18. Furthermore, the laser 14 of the present exemplary embodiment is designed in such a way that the laser 14 emits exactly two modes 28a, 28b, with the first mode 28a having a frequency in near the absorption transition 30 of the trace gas 12, the two modes 28a, 28b competing with each other, and the lasing medium 22 providing multiple lasing transitions, and the two modes 28a, 28b are two modes 29a, 29b of different lasing wavelength. In the present case, the laser medium 22 is a helium-neon gas mixture. Also located in the resonator 24 is the trace gas 12, in this case methane.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Verstärkungskurve 36 des Lasers 14 aus Figur 4. Auf der x-Achse 38 des Diagrammes in Figur 5 ist die Frequenz aufgetragen, auf der y-Achse 40 die Leistung. Weiterhin ist in Figur 5 die Laserschwelle 42 eingezeichnet, die die minimal notwendige Pumpleistung des Lasers 14 darstellt, über der der Laser 14 zu arbeiten beginnt. FIG. 5 shows a schematic representation of an amplification curve 36 of the laser 14 from FIG. 4. The frequency is plotted on the x-axis 38 of the diagram in FIG. 5, and the power is plotted on the y-axis 40. Furthermore, the laser threshold 42 is shown in FIG. 5, which represents the minimum necessary pump power of the laser 14, above which the laser 14 begins to work.
Vorliegend handelt es sich beim Laser 14 ebenfalls um einen Helium-Neon Laser. Das Lasermedium 22, also das Helium-Neon-Gasgemisch stellt unterschiedliche Laserübergänge bereit. Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass das Lasermedium 22 zwei miteinander wechselwirkende Verstärkungskurven 36 aufweist, wobei jede Verstärkungskurve 36 eine Mode 28a, 28b aufweist. Es liegt also ein einmodiger Laserresonator für die erste Verstärkungskurve 36 vor und ein einmodiger Laserresonator für die zweite Verstärkungskurve 36. Derart werden vom Laser 14 genau zwei Moden 28a, 28b emittiert, die unterschiedliche Laserwellenlängen aufweisen. Der Laser 14 ist vorliegend derart ausgestaltet, dass die Laserübergänge bei 632,816 nm und bei 3392,2 nm vom Laser 14 unterstützt werden, wobei der Laserübergang bei 632,816 nm die zweite Mode 28b ist und der Laserübergang bei 3392,2 nm die erste Mode 28a. Entsprechend ist die Frequenz der ersten Mode 28a in der Nähe des Absorptionsüberganges des Methans 12. In the present case, the laser 14 is also a helium-neon laser. The laser medium 22, ie the helium-neon gas mixture, represents different laser transitions ready. It can be seen from FIG. 5 that the laser medium 22 has two mutually interacting gain curves 36, each gain curve 36 having a mode 28a, 28b. There is therefore a single-mode laser resonator for the first amplification curve 36 and a single-mode laser resonator for the second amplification curve 36. In this way, the laser 14 emits exactly two modes 28a, 28b which have different laser wavelengths. In the present case, the laser 14 is designed such that the laser transitions at 632.816 nm and at 3392.2 nm are supported by the laser 14, the laser transition at 632.816 nm being the second mode 28b and the laser transition at 3392.2 nm being the first mode 28a. Accordingly, the frequency of the first mode 28a is close to the absorption transition of methane 12.
Wenn die Frequenz der ersten Mode bei 3392,2 nm derart verschoben wird, dass sie mit der Frequenz des Absorptionsüberganges des Methans 12 übereinstimmt, führt dies zu einer Erhöhung der Intensität der zweiten Mode bei 632,816 nm. Zwecks Detektion umfasst die Messanordnung 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen Detektor 34, vorliegend eine Silizium-Photodiode. Diese ist nicht geeignet die Intensität bei 3392,2 nm zu erfassen, sondern detektiert lediglich im Spektralbereich von etwa 190 - 1100 nm. Derart ist es nicht notwendig, dass ein Spektralfilter verwendet wird. If the frequency of the first mode at 3392.2 nm is shifted in such a way that it matches the frequency of the absorption transition of the methane 12, this leads to an increase in the intensity of the second mode at 632.816 nm a detector 34, here a silicon photodiode. This is not suitable for detecting the intensity at 3392.2 nm, but only detects in the spectral range from about 190 - 1100 nm. It is therefore not necessary to use a spectral filter.
In Figur 6 ist schematisch eine weitere Messanordnung 10 zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas 12, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zur Messanordnung 10 in Figur 1 bei der der Resonator 24 die Funktion der Messzelle 20 übernimmt, ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Resonator 24 innerhalb der Messzelle 20 angeordnet ist. Weiterhin weist die Messzelle 20 ein mikrofluidisches System 50 auf, das erlaubt den Druck des Spurengases 12 innerhalb der Messzelle 20 zu verändern. Vorliegend umfasst die Messanordnung 10 keinen Polarisationsstrahlteiler 18 und lediglich einen Detektor 34. Die gezeigte Ausgestaltung der Messzelle 20 kann aber selbstverständlich auch bei der Ausführung mit Polarisationsstrahlteiler gemäß Figur 1 oder 3 verwendet werden. Bezugszeichenliste FIG. 6 shows another measurement arrangement 10 for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas 12 according to a preferred exemplary embodiment of the invention. In contrast to the measuring arrangement 10 in FIG. 1, in which the resonator 24 takes over the function of the measuring cell 20, it is provided in this exemplary embodiment that the resonator 24 is arranged inside the measuring cell 20. Furthermore, the measuring cell 20 has a microfluidic system 50 that allows the pressure of the trace gas 12 within the measuring cell 20 to be changed. In the present case, the measuring arrangement 10 does not include a polarization beam splitter 18 and only a detector 34. The configuration of the measuring cell 20 shown can of course also be used in the embodiment with a polarization beam splitter according to FIG. Reference List
10 Messanordnung 10 measurement setup
12 Spurengas 12 trace gas
14 Laser 14 lasers
16 elektromagnetische Strahlung 16 electromagnetic radiation
18 Polarisationsstrahlteiler 18 polarization beam splitter
20 Messzelle 20 measuring cell
22 Lasermedium 22 laser medium
24 Resonator 24 resonators
24a Spiegel 24a mirror
24b Auskopplungsspiegel 24b output mirror
26 Strahlrichtung des Lasers 26 Beam direction of the laser
27a, 27b linear polarisierte Moden 28a, 28b emittierte Moden 29a, 29b Moden mit unterschiedlicher Laserwellenlänge27a, 27b linearly polarized modes 28a, 28b emitted modes 29a, 29b modes with different laser wavelengths
30 Absorptionsübergang des Spurengases 30 absorption transition of the trace gas
31 Longitudinalmoden 32a erster Anteil der elektromagnetischen Strahlung 32b zweiter Anteil der elektromagnetischen Strahlung 34 Detektor 36 Verstärkungskurve 38 x-Achse, Frequenz 40 y- Achse, Leistung 42 Laserschwelle 44 Frequenzabstand 46 Breite der Verstärkungskurve 48 Pfeil, Verschieben der Frequenz der ersten Mode 50 mikrofluidisches System 31 longitudinal modes 32a first portion of the electromagnetic radiation 32b second portion of the electromagnetic radiation 34 detector 36 amplification curve 38 x-axis, frequency 40 y-axis, power 42 laser threshold 44 frequency spacing 46 width of the amplification curve 48 arrow, shifting the frequency of the first mode 50 microfluidic system
II parallele Polarisation II parallel polarization
1 senkrechte Polarisation 1 perpendicular polarization

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Messanordnung (10) zur intra-cavity Absorptionsspektroskopie an einem Spurengas (12), umfassend einen Laser (14) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (16), und eine Messzelle (20) zur Aufnahme des Spurengases (12), wobei der Laser (14) ein Lasermedium (22) und einen Resonator (24) umfasst, wobei das Lasermedium (22) im Resonator (24) angeordnet ist, wobei der Resonator (24) und/oder die Messzelle (20) derart ausgestaltet ist, dass das Spurengas (12) in den Resonator (24) einbringbar ist, wobei der Laser (14) derart ausgestaltet ist, dass genau zwei Moden (28a, 28b) emittiert werden, wobei eine der zwei Moden (28a, 28b) eine Frequenz in der Nähe eines Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) aufweist, wobei die zwei Moden (28a, 28b) zueinander in Konkurrenz stehen, und wobei a) die Messanordnung einen Polarisationsstrahlteiler umfasst, die zwei Moden (28a, 28b) zwei linear polarisierte Moden (27a, 27b) sind und die zwei linear polarisierten Moden (27a, 27b) orthogonale Polarisation zueinander aufweisen, oder b) das Lasermedium (22) mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden (28a, 28b) zwei Moden (29a, 29b) mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind. 1. Measuring arrangement (10) for intra-cavity absorption spectroscopy on a trace gas (12), comprising a laser (14) for generating electromagnetic radiation (16), and a measuring cell (20) for receiving the trace gas (12), the laser ( 14) comprises a laser medium (22) and a resonator (24), the laser medium (22) being arranged in the resonator (24), the resonator (24) and/or the measuring cell (20) being designed in such a way that the trace gas (12) can be introduced into the resonator (24), the laser (14) being designed such that exactly two modes (28a, 28b) are emitted, one of the two modes (28a, 28b) having a frequency near a absorption transition (30) of the trace gas (12), wherein the two modes (28a, 28b) compete with one another, and wherein a) the measuring arrangement comprises a polarization beam splitter, the two modes (28a, 28b) two linearly polarized modes (27a, 27b) and the two linearly polarized modes (27a, 27b) are orthogonal Have polarization to each other, or b) the laser medium (22) provides multiple laser transitions, and the two modes (28a, 28b) are two modes (29a, 29b) with different laser wavelengths.
2. Messanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Laser (14) derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden (28a, 28b), die zueinander in Konkurrenz stehen, zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden (31) sind. 2. Measuring arrangement (10) according to claim 1, wherein the laser (14) is designed such that the two modes (28a, 28b) that compete with one another are two directly consecutive longitudinal modes (31).
3. Messanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Laser (14) derart ausgestaltet ist, dass die zwei Moden (28a, 28b), die zueinander in Konkurrenz stehen, nicht zwei direkt aufeinanderfolgende Longitudinalmoden (31) sind. 3. Measuring arrangement (10) according to claim 1, wherein the laser (14) is designed such that the two modes (28a, 28b) that compete with one another are not two directly consecutive longitudinal modes (31).
4. Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (14) derart ausgestaltet ist, dass eine Frequenz des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) zwischen den Frequenzen der zwei Moden (28a, 28b) des Lasers (14) liegt. 4. Measuring arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the laser (14) is designed in such a way that a frequency of the absorption transition (30) of the trace gas (12) between the frequencies of the two modes (28a, 28b) of the laser (14 ) lies.
5. Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messanordnung den Polarisationsstrahlteiler (18) umfasst, wobei der Polarisationsstrahlteiler (18) dazu ausgestaltet ist, die elektromagnetische Strahlung (16) des Lasers (14) in einen die erste Mode (27a, 28a) aufweisenden ersten Anteil (32a) und einen die zweite Mode (27b, 28b) aufweisenden zweiten Anteil (32b) aufzuteilen. 5. Measuring arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the measuring arrangement comprises the polarization beam splitter (18), wherein the polarization beam splitter (18) is designed to convert the electromagnetic radiation (16) of the laser (14) into the first mode (27a , 28a) having the first portion (32a) and the second mode (27b, 28b) having the second portion (32b).
6. Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messanordnung den Polarisationsstrahlteiler (18) umfasst, wobei der Polarisationsstrahlteiler (18) in Strahlrichtung (26) des Lasers (14) neben dem Resonator (24) angeordnet ist oder wobei der Polarisationsstrahlteiler (18) innerhalb des Resonators (24) des Lasers (14) angeordnet ist. 6. Measuring arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the measuring arrangement comprises the polarization beam splitter (18), wherein the polarization beam splitter (18) is arranged in the beam direction (26) of the laser (14) next to the resonator (24) or wherein the polarization beam splitter (18) is arranged within the resonator (24) of the laser (14).
7. Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Resonator (24) wenigstens einen hochreflektierenden Spiegel (24a) und wenigstens einen Auskopplungsspiegel (24b) umfasst. 7. Measuring arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the resonator (24) comprises at least one highly reflective mirror (24a) and at least one output mirror (24b).
8. Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lasermedium (22) mehrere Laserübergänge bereitstellt, und die zwei Moden (28a, 28b) zwei Moden (29a, 29b) mit unterschiedlicher Laserwellenlänge sind, und wobei der Resonator (24) wenigstens einen Spiegel aufweist, dessen Spiegelreflektivität für die unterschiedlichen Laserwellenlängen unterschiedlich hoch ist. 8. Measuring arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the laser medium (22) provides multiple laser transitions, and the two modes (28a, 28b) are two modes (29a, 29b) with different laser wavelengths, and wherein the resonator (24) has at least one mirror, the mirror reflectivity of which is different for the different laser wavelengths.
9. Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend wenigstens einen Detektor (34a, 34b) zum Erfassen einer Intensität der elektromagnetischen Strahlung (16), wobei der Detektor (34a, 34b) derart angeordnet ist, dass eine Intensität eines die erste Mode (28a) aufweisenden ersten Anteils (32a) und/oder eine Intensität eines die zweite Mode (28b) ausweisenden zweiten Anteils (32b) der elektromagnetischen Strahlung (16) des Lasers (14) erfassbar ist. 9. Measuring arrangement (10) according to one of the preceding claims, comprising at least one detector (34a, 34b) for detecting an intensity of the electromagnetic radiation (16), wherein the detector (34a, 34b) is arranged such that an intensity of the first Mode (28a) exhibiting first portion (32a) and / or an intensity of the second mode (28b) exhibiting second portion (32b) of the electromagnetic radiation (16) of the laser (14) can be detected.
10. Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lasermedium (22) gasförmig ist und Gasdruck, Gastemperatur und/oder Gasmischverhältnis des Lasermediums (22) derart ist, dass genau zwei Moden (28a, 28b) emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden (28a, 28b) eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) aufweist. 10. Measuring arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the laser medium (22) is gaseous and the gas pressure, gas temperature and/or gas mixing ratio of the laser medium (22) is such that exactly two modes (28a, 28b) are emitted which are mutually exclusive compete, one of the two modes (28a, 28b) having a frequency near the absorption transition (30) of the trace gas (12).
11. Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich das Lasermedium (14) in einem Magnetfeld, elektrischen Feld und/oder elektromagnetischen Feld befindet, und das Magnetfeld, elektrische Feld und/oder das elektromagnetische Feld derart ist, dass vom Laser (14) genau zwei Moden (28a, 28b) emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine der zwei Moden (28a, 28b) eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) aufweist. 11. Measuring arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the laser medium (14) is in a magnetic field, electric field and / or electromagnetic field, and the magnetic field, electric field and / or the electromagnetic field is such that the laser (14) exactly two modes (28a, 28b) are emitted which compete with one another, one of the two modes (28a, 28b) having a frequency in the vicinity of the absorption transition (30) of the trace gas (12).
12. Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messzelle (20) derart ausgestaltet ist, dass ein Druck des Spurengases (12) in der Messzelle (20) veränderbar ist. 12. Measuring arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the measuring cell (20) is designed such that a pressure of the trace gas (12) in the measuring cell (20) can be changed.
13. Verfahren zum Überwachen eines Spurengases (12) mittels einer Messanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Spurengas (12) in den Resonator (24) eingebracht ist, umfassend die Schritte 13. A method for monitoring a trace gas (12) by means of a measuring arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the trace gas (12) is introduced into the resonator (24), comprising the steps
Betreiben des Lasers (14) im zwei-Moden-Betrieb, derart dass genau zwei Moden (28a, 28b) emittiert werden, die zueinander in Konkurrenz stehen, wobei eine erste Mode (28a) der zwei Moden (28a, 28b) eine Frequenz in der Nähe des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) aufweist, Operating the laser (14) in two-mode operation such that exactly two modes (28a, 28b) are emitted that compete with one another, with a first mode (28a) of the two modes (28a, 28b) having a frequency in near the absorption transition (30) of the trace gas (12),
Verändern der Frequenz der ersten Mode (28a), derart dass ihrer Frequenz mit der Frequenz des Absorptionsüberganges (30) des Spurengases (12) übereinstimmt,Changing the frequency of the first mode (28a) such that its frequency matches the frequency of the absorption transition (30) of the trace gas (12),
Erfassen einer Intensität eines die zweite Mode (28b) ausweisenden zweiten Anteils (32b) der elektromagnetischen Strahlung (16) des Lasers (14) mittels eines Detektors (34a, 34b), und detecting an intensity of a second portion (32b) of the electromagnetic radiation (16) of the laser (14) that exhibits the second mode (28b) by means of a detector (34a, 34b), and
Überwachen des Spurengases (12) unter Berücksichtigung der erfassten Intensität des die zweite Mode (28b) aufweisenden zweiten Anteils (32b) der elektromagnetischen Strahlung (16). Monitoring the trace gas (12) taking into account the detected intensity of the second portion (32b) of the electromagnetic radiation (16) having the second mode (28b).
14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schritt Erfassen der Intensität des die zweite Mode (28b) aufweisenden zweiten Anteils (32) der elektromagnetischen Strahlung (16), ein kontinuierliches Erfassen der Intensität des die zweite Mode (28b) aufweisenden zweiten Anteils (32b) beim Verändern der Frequenz der ersten Mode (28a) umfasst. 14. The method according to the preceding claim, wherein the step of detecting the intensity of the second portion (32) of the electromagnetic radiation (16) having the second mode (28b) involves continuously detecting the intensity of the second portion ( 32b) when changing the frequency of the first mode (28a).
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei das Überwachen des Spurengases (12) unter Berücksichtigung der erfassten Intensität des die zweite Mode (28b) aufweisenden zweiten Anteils (32) der elektromagnetischen Strahlung (16) ein Identifizieren des Spurengases (12), ein Ermitteln einer Konzentration des Spurengases (12) und/oder ein Ermitteln einer Teilchenzahldichte des Spurengases (12) umfasst. 15. The method according to any one of the preceding method claims, wherein the monitoring of the trace gas (12) taking into account the detected intensity of the second mode (28b) having the second portion (32) of the electromagnetic radiation (16) an identification of the trace gas (12), a Determining a concentration of the trace gas (12) and/or determining a particle number density of the trace gas (12).
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