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Die Erfindung betrifft eine Langwegzelle, insbesondere eine Herriott-Zelle, mit den Merkmalen des Anspruchs.
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Eine Langwegzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
US 6 486 474 B1 bekannt und wird beispielsweise in der Spektroskopie verwendet, um einen Lichtstrahl auf einem möglichst langen Weg durch ein Probenvolumen zu schicken, sodass die Wechselwirkung zwischen dem Lichtstrahl und dem Material im Probenraum besonders intensiv ist. Es ist wünschenswert, wenn die Langwegzelle besonders einfach in den Strahlengang beispielsweise eines Lasers eingesetzt werden kann.
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Aus der
US 2011/0164251 A1 ist eine Langwegzelle bekannt, bei der die Lichtquelle innerhalb des Probenvolumens angeordnet ist. Nachteilig an einem solchen System ist, dass es schlecht in bestehende Systeme eingebaut werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Langwegzelle vorzuschlagen, die einen längeren Lichtpfad im Probenvolumen erlaubt.
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Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Langwegzelle, bei der die Auskoppelflächen unter einem Versatzwinkel von zumindest 30° zur Einkoppelfläche verlaufen.
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Vorteilhaft an dieser Langwegzelle ist, dass sie so hergestellt werden kann, dass es zu keinem Strahlversatz zwischen dem Einfall des Strahls und dem ausfallenden Strahl kommt. Wird eine derartige Langwegzelle beispielsweise in eine Spektroskopievorrichtung eingesetzt, die einen Laser und einen Detektor, insbesondere ein Spektrometer, aufweist, so ist es ausreichend, die erfindungsgemäße Langwegzelle in den Strahlengang einzusetzen, ohne dass die Justage der Spektroskopievorrichtung relativ zum Laser gestört wird. Eine derartige Spektroskopievorrichtung ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Spiegel eine Vorrichtung verstanden, die zumindest bezüglich einer Wellenlänge einen Reflexionsgrad von zumindest 0,95, insbesondere 0,98, aufweist.
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Unter dem Einkoppelelement wird ein Element verstanden, das so relativ zu den Spiegeln angeordnet ist, dass ein auf das Einkoppelelement unter einem geeigneten Winkel auftreffender Lichtstrahl auf einen der Spiegel reflektiert wird, sodass der Lichtstrahl von diesem Spiegel auf den anderen Spiegel reflektiert wird. Das Einkoppelelement ist zudem so ausgebildet und angeordnet, dass dieser Lichtstrahl nach mehreren Reflexionen auf die Auskoppelfläche fällt und von dort aus die Langwegzelle verlässt. Das Einkoppelelement könnte daher auch Ein- und Auskoppelelement genannt werden.
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Das Einkoppelelement ist vorzugsweise zwischen den Spiegeln eingeordnet. Darunter wird insbesondere verstanden, dass das Einkoppelelement in dem Raum aller Punkte angeordnet ist, die auf Strecken zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel liegen.
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Vorzugsweise ist der zweite Spiegel ein sphärischer oder parabolischer Spiegel. Diese Spiegel bewirken eine Fokussierung und Selbst-Zentrierung des Lichtstrahls, sodass einer Aufweitung des Lichtstrahls entgegengewirkt wird.
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Vorzugsweise wendet auch der erste Spiegel dem zweiten Spiegel eine konkave Spiegelfläche zu. In diesem Fall ist der erste Spiegel vorzugsweise auch ein sphärischer und/oder parabolischer Spiegel.
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Vorzugsweise ist das Einkoppelelement so ausgebildet, dass ein von der Auskoppelfläche ausgekoppelter Lichtstrahl in Verlängerung eines mittels der Einkoppelfläche eingekoppelten Lichtstrahls verläuft. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass ein Abstand zwischen einer ersten Geraden, entlang derer sich der eingekoppelte Lichtstrahl erstreckt, und einer zweiten Geraden, entlang derer sich der ausgekoppelte Lichtstrahl erstreckt, höchstens 750 µm, insbesondere höchstens 500 µm, beträgt.
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Vorzugsweise weist das Einkoppelelement, das auch als Einkoppel- und Umlenkelement bezeichnet werden könnte, eine Beschichtung auf. Günstig ist es, wenn der Abstand der beiden Geraden vorzugsweise höchstens das 1,4-fache der Dicke des Einkoppelelements beträgt.
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Alternativ oder zusätzlich ist der Winkelfehler zwischen der ersten Geraden und der zweiten Geraden kleiner als 0,5°.
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Eine derartige Langwegzelle lässt sich, wie oben bereits beschrieben, besonders einfach in den Strahlengang einer Vorrichtung, beispielsweise einer Spektroskopievorrichtung, einsetzen.
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Erfindungsgemäß besitzt das Einkoppelelement eine erste Reflexionsfläche, die so angeordnet ist, dass ein von der Einkoppelfläche eingekoppelter Lichtstrahl zunächst von zumindest einem Spiegel reflektiert wird, insbesondere mehrfach von den Spiegeln hin- und zurückreflektiert wird, danach auf die erste Reflexionsfläche trifft und im Strahlengang nach der Reflexionsfläche auf einen der Spiegel trifft. In anderen Worten trifft der Lichtstrahl zunächst auf die Einkoppelfläche und wird von dort auf einen der Spiegel reflektiert. Von diesem Spiegel wird er auf den anderen Spiegel reflektiert. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass der Lichtstrahl dann mehrfach zwischen den beiden Spiegeln hin und her reflektiert wird. Danach trifft der Lichtstrahl auf die Reflexionsfläche und wird von dort erneut auf einen der Spiegel reflektiert. Mittels eines solchen Einkoppelelements kann der Lichtstrahl auf eine andere Spur gesetzt werden. In anderen Worten liegen mehrere Auftreffpunkte des Lichtstrahls vor dem Auftreffen auf dem Einkoppelelement entlang einer ersten Ellipse, insbesondere eines ersten Kreises, und nach dem Auftreffen auf dem Einkoppelelement entlang einer zweiten Ellipse, insbesondere eines zweiten Kreises.
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Dabei ist es günstig, wenn ein radialer Abstand eines Auftreffpunkts des Lichtstrahls, der von der Reflexionsfläche auf einen der Spiegel reflektiert wurde, signifikant kleiner oder größer ist als der radiale Abstand der Auftreffpunkte des Lichtstrahls vor Reflexion an der ersten Reflexionsfläche. In anderen Worten ist es günstig, wenn die radialen Abstände der Auftreffpunkte des Lichtstrahls vor Auftreffen auf die erste Reflexionsfläche im Wesentlichen gleich bleiben und die Reflexion an der Reflexionsfläche dazu führt, dass der radiale Abstand der Auftreffpunkte des Lichtstrahls nach Reflexion an der ersten Reflexionsfläche deutlich kleiner oder deutlich größer ist. Es ist beispielsweise günstig, wenn der radiale Abstand nach Reflexion an der ersten Reflexionsfläche sich um einen Radialversatz von dem Radialabstand des Auftreffpunkts des Lichtstrahls unmittelbar vor Auftreffen auf die erste Reflexionsfläche unterscheidet, wobei der Radialversatz größer ist als das Doppelte der Varianz der radialen Abstände der Auftreffpunkte des Lichtstrahls vor Auftreffen auf die Reflexionsfläche.
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Der radiale Abstand ist der Abstand zu einer optischen Längsachse der Langwegzelle. Wird der Lichtstrahl – was eine bevorzugte Ausführungsform darstellt – zumindest drei Mal zu dem ersten und dem zweiten Spiegel hin- und zurückreflektiert, so liegen die Auftreffpunkte vorzugsweise auf Ellipsen, insbesondere Kreisen, um den Nullpunkt der Radialachse.
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Ein Vorteil an einer derartigen Langwegzelle ist, dass der Lichtstrahl eine besonders lange Weglänge in der Langwegzelle zurücklegen muss. Die Abstände der Auftreffpunkte in Umfangsrichtung hängen bei gegebenem Spiegelabstand von der Krümmung des jeweiligen Spiegels ab. Das führt dazu, dass bei Spiegeln mit konstanter Krümmung der Abstand in Umfangsrichtung von benachbarten Auftreffpunkten umso größer wird, je größer der radiale Abstand der Auftreffpunkte ist. Um die zur Verfügung stehende Spiegelfläche optimal auszunutzen, sollten die Auftreffpunkte möglichst dicht beieinander liegen.
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Es ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform daher vorgesehen, dass die Krümmung zumindest eines Spiegels, insbesondere aller Spiegel, sich nach radial außen verändert, insbesondere vergrößert. Nach Reflexion durch das Einkoppelelement verlaufen die Auftreffpunkte dann auf beiden Spiegeln auf einer Ellipse, insbesondere einem Kreis. Die Auftreffpunkte des Lichtstrahls nach Auftreffen auf die erste Reflexionsfläche liegen auf einer zweiten Ellipse, insbesondere einem zweiten Kreis, der einen kleineren oder größeren Durchmesser hat, wobei sich die Abstände der Auftreffpunkte in Umfangsrichtung auf beiden Ellipsen vorzugsweise nicht oder nicht signifikant unterscheiden.
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Vorzugsweise umfasst das Einkoppelelement eine zweite Reflexionsfläche, die so relativ zu Einkoppelfläche angeordnet ist, dass ein von der Einkoppelfläche eingekoppelter Lichtstrahl zunächst mehrfach von den Spiegeln hin- und zurückreflektiert wird, danach auf die erste Reflexionsfläche trifft, danach mehrfach von den Spiegeln hin- und zurückreflektiert wird, danach auf die zweite Reflexionsfläche trifft und nachfolgend erneut mehrfach von den Spiegeln hin- und zurückreflektiert wird.
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Vorzugsweise liegen die Auftreffpunkte des Lichtstrahls in seinem Abschnitt zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche auf einer ersten Ellipse, insbesondere einem ersten Kreis. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Einkoppelelement eine dritte Reflexionsfläche, wobei die Auftreffpunkte des Lichtstrahls in seinem Abschnitt zwischen der zweiten Reflexionsfläche und der dritten Reflexionsfläche auf einer ersten Ellipse, insbesondere einem zweiten Kreis, die zur ersten Ellipse, insbesondere zum ersten Kreis, zumindest im Wesentlichen konzentrisch ist, liegen. Unter dem Merkmal, dass die zweite Ellipse, insbesondere der zweite Kreis, zur ersten Ellipse, insbesondere zum ersten Kreis, zumindest im Wesentlichen konzentrisch ist, wird insbesondere verstanden, dass die Brennpunkte der Ausgleichsellipsen durch die jeweiligen Auftreffpunkte um höchstens das Doppelte einer Halbwertsbreite des Lichtstrahls voneinander entfernt liegen. Im Falle eines Kreises unterscheiden sich die Mittelpunkte der Ausgleichskreise durch die jeweiligen Auftreffpunkte um höchstens das Doppelte einer Halbwertsbreite des Lichtstrahls.
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Vorzugsweise hat die zweite Ellipse eine zweite Summe aus großer und kleiner Halbachse, die sich von der ersten Summe aus großer und kleiner Halbachse der ersten Ellipse um zumindest eine Halbwertsbreite des Lichtstrahls unterscheidet. Insbesondere hat vorzugsweise der zweite Kreis einen Kreisdurchmesser, der sich vom ersten Kreisdurchmesser um zumindest das Doppelte einer Halbwertsbreite des Lichtstrahls unterscheidet.
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Vorzugsweise besitzt die erste Reflexionsfläche eine erste Teil-Fläche und eine zweite Teil-Fläche, wobei ein Öffnungswinkel zwischen den beiden Teil-Flächen zumindest 45°, insbesondere zumindest 60°, beträgt und/oder höchstens 135°, insbesondere 120°. Günstig ist es, wenn der Öffnungswinkel sich um zumindest 10 Winkelsekunden von 90° unterscheidet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Langwegzelle ein Halteelement, wobei der erste Spiegel und der zweite Spiegel zentral am Halteelement befestigt sind. Unter dem Merkmal, dass die Spiegel zentral am Halteelement befestigt sind, wird verstanden, dass jeder Spiegel einen Zentralbereich hat, der radial innen liegt und der mit dem Spiegel verbunden ist. In anderen Worten verlaufen die Lichtstrahlen radial außerhalb vom Halteelement. Günstig ist es, wenn eine Längsachse der Langwegzellen durch das Halteelement verläuft. Das Halteelement ermöglicht die Ausrichtung der Spiegel zueinander. So kann zumindest ein Spiegel arretierbar längsbeweglich am Halteelement befestigt sein, sodass der Spiegel zunächst relativ zum Halteelement verschoben und danach arretiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Halteelement zudem vorzugsweise eine Winkellageneinstellvorrichtung, mittels der die Winkellage, unter der zumindest einer der Spiegel relativ zum Halteelement befestigt ist, einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine Spektroskopievorrichtung mit einer Langwegzelle, wie sie oben beschrieben ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Langwegzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2a eine schematische Ansicht einer Langwegzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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2b einen Ausschnitt mit dem Einkoppelelement aus der Langwegzelle nach 2a,
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3 einen schematischen Querschnitt durch eine Langwegzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Langwegzelle.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Langwegzelle 10 in Form einer Herriott-Zelle, die einen ersten Spiegel 12 und einen zweiten Spiegel 14 aufweist. Der erste Spiegel 12 besitzt eine erste konkave Spiegelfläche 16, der zweite Spiegel 14 besitzt eine zweite Spiegelfläche 18, die dem ersten Spiegel 12 zugewandt ist. Der erste Spiegel 12 ist im vorliegenden Fall sphärisch und hat einen ersten Krümmungsradius R12, der einem zweiten Krümmungsradius R14 des zweiten Spiegels entspricht. Es ist aber auch möglich, dass einer oder beide Spiegel Parabolspiegel sind.
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Die Langwegzelle 10 umfasst ein Einkoppelelement 20, das eine Einkoppelfläche 22 und eine Auskoppelfläche 24 besitzt. Fällt ein Lichtstrahl 26, insbesondere ein Laserstrahl, der von einem Laser 28 ausgesandt wird, auf die Einkoppelfläche 22, so reflektiert diese den Lichtstrahl 26 auf den ersten Spiegel 12. Der Lichtstrahl 26 trifft daher zunächst in einem ersten Auftreffpunkt 30.1 auf den ersten Spiegel 12 auf. Danach reflektiert der erste Spiegel 12 den Lichtstrahl 26 auf einen zweiten Auftreffpunkt 30.2 auf dem zweiten Spiegel 14, danach trifft der Lichtstrahl 26 auf einen dritten Auftreffpunkt 30.3 und einen vierten Auftreffpunkt 30.4.
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Der Lichtstrahl 26 ist in anderen Worten mehrfach von den Spiegeln 12, 14 hinund zurückreflektiert worden. Danach trifft der Lichtstrahl 26 auf eine erste Reflexionsfläche 32, die den Lichtstrahl 26 auf einen fünften Auftreffpunkt 30.5 auf der zweiten Spiegelfläche 18 leitet. Im vorliegenden Fall erstreckt sich die erste Reflexionsfläche 32 entlang zweier Ebenen, die einen Winkel miteinander bilden, der kein rechter Winkel ist. Im schematisch gezeigten zweidimensionalen Fall würde sich ein rechter Winkel ergeben, der aber im dreidimensionalen Fall nicht vorliegt.
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Nachdem der Laserstrahl die Auftreffpunkte 30.6, 30.7 und 30.8 durchlaufen hat, trifft er auf die Auskoppelfläche 24. In 1 ist eine Seitenansicht gezeigt, sodass der Lichtstrahl zwischen den Punkten 30.4 und 30.5 einerseits und hinter dem Punkt 30.8 andererseits quasi parallel verlaufend eingezeichnet ist. Der entstehende ausfallende Lichtstrahl 26b, der Teil des Lichtstrahls 26 ist, verläuft in die direkte Verlängerung des einfallenden Lichtstrahls 26a. In anderen Worten existiert eine Gerade g, entlang derer sich sowohl der einfallende Lichtstrahl 26a als auch der ausfallende Lichtstrahl 26b erstrecken.
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Es ist zu erkennen, dass die Auskoppelfläche 24 unter einem Versatzwinkel α zur Einkoppelfläche 22 orientiert ist. Im vorliegenden Fall beträgt α = 90°, was ausschließlich für den zweidimensionalen Fall eine bevorzugte Ausführungsform darstellt. Für den in der Praxis vorkommenden dreidimensionalen Fall muss sich α von 90° unterscheiden, damit eine gute Justierung ermöglicht wird, welche sich durch Rotationssymmetrie, bzw. durch die kreisförmige Anordnung der Auftreffpunkte auf den Spiegeln auszeichnet. Für je einen Satz Eingangsparameter: „Krümmungsradien(Brennweiten) der Spiegel, Spiegelabstand, Position des Einkoppelelementes, Radius des aktuellen (vor dem Umlenken auf die nächste Bahn bestehenden) kreisförmigen Musters der Reflexe auf den Spiegeln, Radius des nächsten (auf der neuen Bahn entstehenden) kreisförmigen Musters der Reflexe auf den Spiegeln“ gibt es genau zwei mögliche Winkel für α, deren Größe erfindungsgemäß mittels einer Simulation unter Verwendung von Raytracing bestimmt wird.
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Die Langwegzelle 10 besitzt eine Längsachse L. Im vorliegenden Fall verläuft die Längsachse durch die beiden Punkte P12, P14, die sich dadurch auszeichnen, dass ein gedachter Lichtstrahl zwischen diesen beiden Punkten beständig hin- und her reflektiert würde. In einer Schnittansicht wie in 1 ist die Längsachse eine Drehsymmetrieachse für den ersten Spiegel 12. Zudem können die Spiegeloberflächen 16, 18 in einem Kreiskoordinatensystem um die Längsachse L als konstant in einer Abstandskoordinate r dargestellt werden. Die Abstandskoordinate r bezeichnet den Abstand von der Längsachse L. Die z-Achse verläuft entlang der Längsachse L. Die Stelle z = 0 kann grundsätzlich beliebig gewählt werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass 1 lediglich eine schematische Seitenansicht der Langwegzelle 10 zeigt. Aus diesem Grund sind auch die eingezeichneten Winkel verzerrt dargestellt. Es ist möglich, dass die beiden Spiegel zwischen sich einen größeren Abstand voneinander haben.
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2a zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Langwegzelle 10, deren Einkoppelelement 20 eine zweite Reflexionsfläche 34 aufweist, auf die der Lichtstrahl 26 auftrifft, nachdem er im Auftreffpunkt 30.8 reflektiert wurde. Die zweite Reflexionsfläche 34 reflektiert den Lichtstrahl 26 auf den Auftreffpunkt 30.9. Das Einkoppelelement 20 besitzt zudem eine dritte Reflexionsfläche 36, eine vierte Reflexionsfläche 38 und eine fünfte Reflexionsfläche 40. Wie durch den eingezeichneten Weg des Lichtstrahls 26 zu erkennen ist, legt dieser in der Langwegzelle 10 einen besonders langen Weg zurück.
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2a zeigt, dass die Langwegzelle 10 eine Lichtleitfaser 56 aufweisen kann, bei der der Lichtstrahl 26 vom Laser 28 auf das Einkoppelelement 20 zugeführt wird. Günstig ist es, wenn die Lichtleitfaser 56 in einem Auskoppelelement 58 endet.
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2b zeigt das Einkoppelelement 20 in einer Vergrößerung. Es ist zu erkennen, dass die erste Reflexionsfläche 32 eine erste Teil-Fläche 32.1 und eine zweite Teil-Fläche 32.2 aufweist, die mit der ersten Fläche 32.1 einen Öffnungswinkel β einschließt. Der Öffnungswinkel β ist der Winkel zwischen den beiden Tangentialebenen an die Flächen 32.1, 32.2 jeweils in dem Punkt, in dem der Lichtstrahl 26 auftrifft.
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Der Öffnungswinkel β zwischen den beiden Teil-Flächen 32.1, 32.2 beträgt vorzugsweise zumindest 45°, insbesondere zumindest 60°, und/oder höchstens 135°, insbesondere 120°. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Öffnungswinkel β keinen Wert zwischen 89°, vorzugsweise 89,5° einerseits und 90,5°, vorzugsweise 91°, andererseits einnimmt.
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Für die Teil-Flächen existieren immer genau zwei mögliche Orientierungen zueinander, bei denen der Querschnitt des Musters der Lichtstrahl-Reflexionen möglichst kreisförmig ist. Vorzugsweise wird diese Orientierung mittels Raytracing bestimmt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Langwegzelle 10, bei der die Spiegel 12, 14 wie in 3 gezeigt aufgebaut sind. Die Langwegzelle 10 umfasst ein Halteelement 46, an dem die beiden Spiegel 12, 14 zentral befestigt sind. Es ist zu erkennen, dass der Lichtstrahl 26 durch eine Öffnung 48 im Spiegel 12 in die Langwegzelle 10 eintritt und durch die gleiche Öffnung 48 wieder austritt.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine Spektroskopievorrichtung 50, die den Laser 28, die Langwegzelle 10 und eine Lichtstrahl-Analysevorrichtung 52 aufweist.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Langwegzelle 10 mit einem Reflexionselement 54, an dem die Reflexionsflächen 32 und 34 ausgebildet sind. Bei den Ausführungsformen gemäß der 1 und 2 ist das Reflexionselement Teil des Einkoppelelements 20 (vgl. 1).
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Der Übersichtlichkeit halber ist in 4 der Strahlweg nach Reflexion an der ersten Reflexionsfläche 32 und der zweiten Reflexionsfläche 34 nur schematisch eingezeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Langwegzelle
- 12
- erster Spiegel
- 14
- zweiter Spiegel
- 16
- erste Spiegelfläche
- 18
- zweite Spiegelfläche
- 20
- Einkoppelelement
- 22
- Einkoppelfläche
- 24
- Auskoppelfläche
- 26
- Lichtstrahl
- 26a
- einfallender Lichtstrahl
- 26b
- ausfallender Lichtstrahl
- 28
- Laser
- 30
- Auftreffpunkt
- 32
- erste Reflexionsfläche
- 32.1, 32.2
- Teil-Fläche
- 34
- zweite Reflexionsfläche
- 36
- dritte Reflexionsfläche
- 38
- vierte Reflexionsfläche
- 40
- fünfte Reflexionsfläche
- 46
- Halteelement
- 48
- Öffnung
- 50
- Spektroskopievorrichtung
- 52
- Lichtstrahl-Analysevorrichtung
- 54
- Reflexionselement
- 56
- Lichtleitfaser
- 58
- Auskoppelelement
- α
- Versatzwinkel
- β
- Öffnungswinkel
- a
- Abstand
- g
- Gerade
- L
- Längsachse
- r
- Abstandskoordinate
- R12
- Krümmungsradius
- R14
- Krümmungsradius
- R42.1
- Krümmungsradius
