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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Bestimmung der Absorption
gemäß der Gattung
der Patentansprüche.
Sie ist insbesondere zur Messung kleiner Absorptionskoeffizienten
von optisch transparenten Medien vorgesehen.
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Zur
Messung kleiner Absorptionskoeffizienten in optisch transparenten,
bspw. einer Laserpulsbestrahlung ausgesetzten Medien, sind Methoden, die
die Energie vor und hinter der Probe messen, wegen der zur Absorption
kleinen Signaländerung
wenig geeignet. Bei der kalorimetrischen Messung der Absorption
wird an geeigneter Stelle der Probe ein Temperatursensor angebracht
und die Temperaturdifferenz nach einer festgelegten Bestrahlungsdauer gemessen.
Um daraus die Absorption berechnen zu können, müssen noch Angaben zur Masse,
spezifischen Wärmekapazität und Wärmeleitung
von Probe und Probenhalterung bekannt sein. Da außerdem die zu
erwartende Absorption bei laserfesten Materialien sehr gering ist
und die entsprechenden Temperaturanstiege sich im Bereich weniger
Milli-Kelvin bewegen, müssen
besondere Vorkehrungen zur Abschirmung von Umgebungseinflüssen getroffen
werden. Auch ist bereits ein Verfahren zur Messung des Absorptionskoeffizienten
von optisch transparenten Materialien bekannt, die von einem Laser-UV-Strahlengang,
bspw. eines Excimerlasers, durchsetzt werden, wobei der Querschnitt
des UV-Strahlenganges
kleiner als der Querschnitt des transparenten Mediums, ihm aber ähnlich ist.
Dadurch bildet sich im Medium ein auf den Querschnitt des UV-Strahlenganges
bezogenes regelmäßiges Temperaturprofil
mit in Abhängigkeit
vom Material abhängigem
positiven oder negativen Temperaturgradienten aus, das auf einen quer
zum UV-Strahlengang
gerichteten He-Ne-Lasermessstrahl als Positiv- oder Negativlinse
ablenkend wirkt. Um diese Ablenkungen erfassen und sicher bestimmen
zu können
bedarf es einer ebenso aufwändigen
wie voluminösen
Apparatur, die praktisch nicht handhabbar ist.
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Die
Erfindung hat sich die Vermeidung oder zumindest Reduzierung der
aufgezeigten Mängel
zur Aufgabe gestellt. Dies schließt die Schaffung einer kompendiösen, praktikablen
Messanordnung ebenso ein, wie die sichere Erreichung einer hohen
Messgenauigkeit.
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Gemäß der Erfindung
wird die vorstehend genannte Aufgabe durch die Merkmale im Kennzeichen
des ersten Patentanspruchs gelöst.
Dabei kann das Lichtbündel
von einem Laser, bspw. einem Excimerlaser, ausgehen und der Lasermessstrahl,
dessen Querschnitt und Energie geringer ist als der/die des Lichtbündels, ein
He-Ne-Laserstrahl sein. Die Brechzahl des Mediums/der Probe kann
mit der Temperatur zu- oder abnehmen; danach richtet sich die Richtung
der Ablenkung des zweiten Lichtbündels (Messstrahls)
bezüglich
seiner Nulllage. Die Querschnitte von Probe und erstem Lichtbündel (Laserstrahl)
in Durchgangsrichtung des Lichtes sollen ähnlich, vorzugsweise quadratisch
oder rechteckig gestaltet sein. Vorteilhaft ist das zweite Lichtbündel rechtwinklig
zum ersten Lichtbündel
gerichtet und passiert das Medium in unmittelbarer Nachbarschaft des
ersten Lichtbündels.
Dadurch wirkt sich das Brechzahlfeld der durch die UV-Laserlichtabsorption induzierten
Wärmequelle
im Sinne der Erfindung günstig
aus. Die Reflektoranordnung dient der Erhöhung der Empfindlichkeit bzw.
Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung ebenso wie der
Verkleinerung des Raumbedarfs. Diese Reflektoranordnung dient in
gleicher Weise der Teilung und Führung des
Lasermessstrahls und/oder seiner Faltung, so dass dieser das Medium
mindestens zweimal, vorteilhaft jedoch öfter durchläuft. Für die Lösung der der Erfindung zugrunde
liegenden Aufgabe ist es besonders vorteilhaft, die Teilung des
Messstrahls mit der Faltung der Teilmessstrahlen zu kombinieren.
Dabei können
die Laserteilmessstrahlen symmetrisch zum Querschnitt des die Probe/das
Medium erwärmenden
Lichtbündels,
möglichst
in dessen Nähe
verlaufen, weil dort das Temperaturgefälle und damit die ablenkende
Wirkung am größten ist.
Die gedrängte Bauweise
der erfindungsgemäßen Anordnung
hat zur Folge, dass die Einflüsse
der Umgebung ebenso wie von Luftoszillationen gering gehalten werden. Ebenso
werden durch die im wesentlichen gleichlangen Teilmessstrahlen Fehlereinflüsse im Zusammenhang
mit dem Strahlquerschnitt vermieden. Weitere Merkmale der Erfindung
sind den nachfolgenden Darstellungen entnehmbar.
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Die
Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Skizze zur Erläuterung
des an sich bekannten Messprinzips,
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2 eine
erfindungsgemäße Anordnung
in Draufsicht und
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3 die
erfindungsgemäße Anordnung
der 2 in Seitenansicht.
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In 1 ist
in ein Koordinatensystem x/y der rechteckige Querschnitt einer Probe
P aus Quarzglas mit der Brechzahl n so eingezeichnet, dass zwei
gegenüberliegende
Seiten S1, S2 parallel und symmetrisch zur x-Achse und zwei zu den erstgenannten Seiten
rechtwinklig angeordnete gegenüberliegende Seiten
S3, S4 parallel zur y-Achse gerichtet sind, wobei die Seite S3 mit
der y-Achse zusammenfällt
und der Probenkörper
P rechtwinklig zur Ebene x/y und zur Zeichenebene gerichtet ist.
Die Probe P wird von einem parallelstrahligen UV-Laserlichtbündel L1, bspw.
eines Excimerlasers, durchsetzt, dessen Querschnitt kleiner als
der der Probe, diesem ähnlich
ist und bezüglich
des x/y-Koordinatensystems dieselbe Orientierung hat wie der Querschnitt
der Probe P. Ein Teil der gepulsten Laserstrahlung L1 wird von der Probe
absorbiert und heizt diese lokal auf. Infolge der Wärmeleitung
bildet sich in der Probe P ein Temperaturprofil aus, das durch Isothermen
T gekennzeichnet ist und ein Temperaturgefälle vom Laserlichtbündel L1
zu den Seiten Si aufweist. Infolge der Temperaturabhängigkeit
der Brechzahl n bildet sich ein analoges Brechzahlprofil F aus,
das vom Rande (Si) zur Mitte (L1) der Probe P zunimmt.
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Ein
Lasermessstrahl L2, der bspw. von einem He-Ne-Laser ausgesandt wird
und dessen Querschnitt gegenüber
dem ersten Laserlichtbündel L1
klein ist, durchsetzt die Probe P außerhalb des Laserlichtbündels L1,
aber in dessen Nähe
und rechtwinklig zu diesem. Infolge des durch die Erwärmung zustande
kommenden Brechzahlfeldes wirkt die Probe P wie ein sammelndes optisches
Glied, wodurch der Lasermessstrahl L2 aus seiner Normal- oder Nulllage
parallel zur Achse x um einen Winkel Δα zur Achse x hin abgelenkt wird.
Bei Einstrahlung des Laserstrahls L2 außerhalb der Achse x ist die
Ablenkung Δα dieses Strahls
ein Maß für die in
der Probe P absorbierte Leistung, wenn der Absorptionskoeffizient
sich in Zeiten ändert,
die groß gegenüber der thermischen
Relaxationszeit der Probe P sind.
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Im
vorstehenden Fall besteht die Probe P bspw. aus Quarzglas, wodurch
dn/dT positiv ist und sich eine Sammellinse bildet. Bei Verwendung
von bspw. CaF2 ergibt sich für
dn/dT ein negativer Wert, und durch das in der Probe P erzeugte
Brechzahlfeld wirkt diese als Negativlinse.
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In
den 2 und 3 ist wieder die Probe, das Medium
P mit dem Brechungsindex n und den Abmessungen x·y·z = 20·20·10 mm3 dargestellt,
die von von einem energiereichen parallelstrahligen Lichtbündel L1
mittig durchsetzt wird, das von einer nicht dargestellten Lichtquelle
kommend durch eine Blende B mit einer Öffnung von 5·5 mm2 in die Probe P gelangt und diese, wie zu 1 beschrieben,
erwärmt.
z ist diejenige Koordinate parallel zum Lichtstrahlenbündel L1,
die zu der von den Koordinaten x, y aufgespannten Ebene senkrecht
steht (1). Von einer Laserdiode E, die bei einer Wellenlänge von 650
nm 4 mW optische Leistung abgibt, geht ein Lasermessstrahl L2 aus,
der durch einen Strahlenteiler St in zwei Teilmessstrahlen L21 und
L22 amplitudengeteilt wird. Anstatt der Laserdiode kann auch ein He-Ne-Laser benutzt werden.
Der Laserteilmessstrahl L21 wird vom Strahlenteiler St, im vorliegenden Fall
einem teildurchlässigen
Reflektor, und der Laserteilmessstrahl L22 von einem undurchlässigen Reflektor,
einem Oberflächenspiegel
R1 zum Medium P so reflektiert, dass jeder Laserteilmessstrahl L21 bzw.
L22 die Probe P parallel zu einer Seite S4 bzw. S3 des Querschnittes
des Lichtstrahlenbündels
L1 und im wesentlichen rechtwinklig zu diesem durchsetzt. Da die
beiden Teilmessstrahlen L21 und L22 in einem Abstand parallel zueinander
verlaufen, der hauptsächlich
durch den Querschnitt des Lichtstrahlenbündels L1 bestimmt ist, kann
davon ausgegangen werden, dass ihre Durchmesser ebenso wie ihre Beeinflussungen
durch die Umgebung gleich sind. Außerdem ergibt ihre Führung zu
beiden Seiten des Querschnitts des Lichtstrahlenbündels L1
zu einer Verdoppelung der Messgenauigkeit.
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Die
Teilmessstrahlen L21 und L22 werden jeweils nach Durchlaufen des
Mediums P nacheinander an Reflektoren R2, R3 und wieder R2, R3 reflektiert,
bevor sie nacheiner weiteren Reflexion am Reflektor R2 durch die
Probe P an den Reflektoren St und R1 vorbei auf positionsempfindliche
Detektoren PSD1 und PSD2 zur Erfassung ihrer Ablenkung infolge der
Erwärmung
der Probe P durch das Lichtstrahlenbündel L1. Die Mehrfachreflexion
der Laserteilmessstrahlen L21 und L22 an den Reflektoren R2, R3
stellt eine Faltung dieser Strahlen dar und bewirkt eine erhebliche
Verringerung der Baulänge
der erfindungsgemäßen Anordnung
bei einer Messgenauigkeit, die der eines ungefalteten Strahlenganges
erheblich größerer Länge entspricht.
Bspw. würde
bei einem viermaligen Durchgang (dreifache Faltung) der Teilmessstrahlen
und einem Reflektorabstand von 100 mm dieselbe Messgenauigkeit erreicht
werden, wie bei einmal abgelenkten Teilmessstrahlen mit einem Abstand
von 1 m zwischen ablenkender Stelle und positionsempfindlichem Detektor.
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Die
in den positionsempfindlichen Detektoren PSD1 und PSD2 erzeugten
Signale werden über Verstärker V1,
V2 einer Auswerte- und Anzeigeeinheit A zugeleitet. Die Auswerteelektronik
bewirkt für jeden
Detektor, dass die Ausgangsspannung nur von der Lage des Messstrahl-Schwerpunktes und
nicht von der Lichtleistung abhängt.
Da die Ausgangsspannungen bei Proben mit sehr geringer Absorption oder
bei Bestrahlung mit geringer Energiedichte im mV-Bereich liegen,
muss der Verstärker
V1 bzw. V2 jedem Detektor PSD1 bzw. PSD2 nachgeordnet sein. Die
Ausgangsspannungen der Verstärker
V1 und V2 werden einem in die Auswerteeinheit integrierten Differenzverstärker zugeleitet,
der die Differenzspannung nochmals verstärkt. Die Differenzspannung
ist proportional zu den Abstandsänderungen
der beiden Teilmessstrahlen L21 und L22 auf den Detektoren PSD1
und PSD2. Eine gemeinsame Verschiebung beider Messstrahlen L21 und
L22 gegenüber
den Detektoren PSD1 und PSD2 ruft kein Differenzsignal hervor. Die
aus den Messwerten der positionsempfindlichen Detektoren PSD1 und
PSD2 gebildete Differenz ist ein Maß für die Absorption im Mediums
P. Am Ausgang der Messelektronik liegt also eine Differenzspannung
an, die der Leistung proportional ist, welche von der Probe P während der
Bestrahlung mit UV-Licht absorbiert wird. Die Bestimmung des Proportionalitätsfaktors
bedarf einer Eichung der Anordnung. Dazu wird bspw. eine Probe des
zu messenden Materials mittig durchbohrt und ein elektrischer Widerstand
in die Bohrung eingekittet, von dem eine genau messbare elektische
Leistung in Wärme
umgewandelt wird. Vorzugsweise sind die Abmessungen der Eichprobe
dieselben wie die der zu untersuchenden Probe. Die Eichprobe wird
in die erfindungsgemäße Anordnung
eingesetzt, und die Ausgangsspannung bei verschiedenen eingekoppelten
Leistungen gemessen. Mit der so geeichten Anordnung wird aus der
Ausgangsspannung die Absorption ermittelt.
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Die
Differenzbildung verbessert das Driftverhalten der Anordnung erheblich.
Auf das Driftverhalten und Rauschen hat auch die Messstrahlquelle
einen spürbaren
Einfluss. Sie soll einen möglichst
richtungs- und frequenzstabilen Messstrahl L2 aussenden. Mit einer
Laserdiode, die im Single-Mode arbeitet und temperaturstabilisiert
ist, lassen sich diese Forderungen erfüllen und darüber hinaus
die Abmessungen der Anordnung minimieren. Mit der vorbeschriebenen
Anordnung ist eine von der Probe P absorbierte Leistung von 0,3
mW in Quarzglas nachweisbar. Es versteht sich von selbst, dass die
Probe und alle Bauelemente der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung
zur Gewährleistung einer
ausreichenden mechanischen und thermischen Stabilität auf einem
geeigneten Träger
montiert sein müssen.
Damit ist es möglich,
eine Anordnung zu schaffen, die ohne die Auswerteelektronik einen Raum
von etwa 80·200·50 mm3 einnimmt.
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- x,
y, z
- Koordinaten
- P
- Medium,
Probe
- S1,
S2, S3, S4
- Seiten
- L1
- Laserlichtbündel
- L2
- Lasermessstrahl
- L21,
L22
- Teilmessstrahlen
- T
- Isothermen
- F
- Brechzahlprofil
- Δα
- Ablenkwinkel
- E
- Laserdiode
- St
- Strahlenteiler
- R1,
R2, R3
- Reflektoren
- PSD1,
PSD2
- Detektoren
- V1,
V2
- Verstärker
- A
- Auswerte-
und Anzeigeeinheit