DE29724019U1

DE29724019U1 - Strahlungsquelle für die Laserspektroskopie

Info

Publication number: DE29724019U1
Application number: DE29724019U
Authority: DE
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1997-06-21
Filing date: 1997-06-21
Publication date: 1999-08-26
Anticipated expiration: 2007-06-22

Description

Beschreibung *

Drägerwerk Aktiengesellschaft Moislinger Allee 53/55, 23542 Lübeck, DE 5

Strahlungsquelle für die Laserspektroskopie

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung zur Konzentrationsbestimmung von Gasen.

Derartige Meßanordnungen, beispielsweise in Form eines Sensors, werden dazu verwendet, um die Konzentration eines Gases, beispielsweise Sauerstoff, in einem Gemisch mit anderen Gasen aufgrund der stoffcharakteristischen Strahlungsabsorption, die konzentrationsabhängig ist, zu ermitteln. Eine derartige optische Meßanordnung enthält als wesentliche Elemente eine oder mehrere Laserquellen, optische Elemente zur Strahlführung sowie eine Meßgasküvette und einen oder mehrere Strahlungsdetektoren.
Durch Vielfachreflexionen der Laserstrahlung an Oberflächen, die zwischen Laserquellen und Strahlungsdetektoren positioniert sind, entstehen Interferenzen, welche die Sensitivität einer derartigen optischen Meßanordnung deutlich begrenzen. Es ist bekannt, daß durch Schrägstellung der optischen Elemente im Strahlengang dieser negative Effekt deutlich reduziert werden kann. Diese Maßnahme reicht aber bei einem hochauflösenden System mit schwachen Absorptionen, wie beispielsweise die von Sauerstoff, zur Verbesserung der Signalauflösung nicht aus. Zudem ist im medizinischen Bereich eine lange Mittelung der Signale, welche ebenfalls den Einfluß der Interferenzen reduzieren würde, nicht möglich, da schnelle Signalanstiegzeiten für atemzugaufgelöste Messungen gewünscht werden.

Es sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, um die Sensorsensitivität bzw. die Meßsignalauflösung zu verbessern. Eine bekannte Lösung ist die Verlängerung der Absorptionsstrecke. Um dennoch eine Verschlechterung der Zeitauflösung zu verhindern, muß das Gasküvettenvolumen beibehalten werden, also der Durchmesser der Küvette deutlich verkleinert werden. Dies führt zu Problemen bei der Fokussierung und Strahlführung des Lasers.

Eine Anordnung zum Herausmitteln der InierferenzerVist a*us de'fUS" 4,934,816 bekanntgeworden. Wesentlicher Bestandteil dieser bekannten Anordnung ist ein aktives optisches Element, welches im Verlauf des Strahlengangs angebracht ist und entlang des optischen Weges oszilliert. Nachteilig an dieser bekannten Anordnung ist zum einen der technische Aufwand zur Realisierung der Dichtigkeit der Absorptionszelle mit dem oszillierenden optischen Element, sowie andererseits zusätzliche Transmissionsverluste durch die erforderliche mehrfache Laserstrahlumlenkung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für eine Laseranordnung zur Konzentrationsbestimmung eines Gases einfach wirksame Mittel und ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen, die eine hohe Signalauflösung ohne Verlängerung der Meßzeit ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe erhält man für eine eingangs genannte Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 7 beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach Anspruch 1.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik liegt darin begründet, daß die Realisierung mit relativ einfachen Mitteln möglich ist und daß der optische Aufbau der Meßanordnung im Strahlengang nicht verändert werden muß. Es werden keine zusätzlichen Elemente in den Strahlengang eingebracht, die zwangsläufig eine Erhöhung der Transmissionsverluste zur Folge hätten. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Laserquelle in Schwingungen in Richtung der optischen Achse zu versetzen bzw. dafür geeignete Mittel vorzuschlagen, wobei die Schwingungsamplitude in der Größenordnung der Wellenlänge der Laserquelle liegt und vorzugsweise ein Viertel bis ein Mehrfaches der Wellenlänge des Laserlichtes beträgt. Im Bereich der Medizintechnik ist für die atemzugaufgelöste Messung der Sauerstoffkonzentration im Atemgas eine Meßsignalauflösung von etwa 0,1 Vol.-% erforderlich. Durch die üblicherweise in optischen Meßanordnungen mit Laserquelle auftretenden Interferenzen, die zu einem erhöhten Rauschen bei der Absorptionsmessung führen, ist das praktisch nicht zu realisieren. Mit der erfindungsgemäßen Laseranordnung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die

Meßsignalauflösung durch weitgehende Reduktion der im optischen System auftretenden Interferenzen um bis zu 300 % erhöht im Vergleich zur ansonsten gleichen Meßanordnung mit einer nicht in Longitudinalschwingungen in Bezug auf die optische Achse versetzten Laserquelle. Die Lage der Strahlungsquelle wird relativ zu allen anderen optischen Elementen im Aufbau der Laseranordnung oszillierend verändert. Interferenzen zwischen festen Oberflächen, wie Linsen, und bewegten Oberflächen, wie Laserquellen bzw. Laserchip auf entsprechendem Keramikträger werden durch eine schnelle periodische Bewegung von etwa 10 - bis 1.000 Hz der Laserquelle entlang der optischen Achse sowie durch eine zeitliche Mittelung des Detektorsignals praktisch eliminiert. Interferenzen zwischen zwei festen Oberflächen können zusätzlich dadurch vermindert werden, daß diese Flächen, insbesondere Linsen, mit geeigneten, Reflexionen vermindernde Beschichtungen versehen und zusätzlich relativ zueinander schräggestellt werden.

Die Oszillation der Laserquelle entlang der optischen Achse erfolgt vorzugsweise asynchron zu sämtlichen, in der Laseranordnung verwendeten Modulationsfrequenzen und führt dazu, daß die Amplituden der Interferenzstreifen ausgelöscht werden, wenn die bei der Oszillation durchlaufene Strecke eine Änderung in der optischen Weglänge von mehr als der Hälfte des interferenzstreifenfreien Spektralbereiches bewirkt. Vorrichtungsmäßig wird die Erfindung so verwirklicht, daß sich relativ geringe Anforderungen an das schwingende System ergeben: Es werden keine hohen Anforderungen an die Genauigkeit und die Konstanz der Schwingungsamplitude und Schwingungsfrequenz gestellt. Es wird eine Schwingungsamplitude von etwa der Wellenlänge der von der Laserquelle emittierten Strahlung sowie eine Frequenz im Bereich von vorzugsweise 10 bis 1.000 Hz verwendet, wobei die verwendete Frequenz ansonsten nicht in der jeweiligen Laseranordnung vorkommt. Die Auslenkung für die Longitudinalschwingung der Laserquelle hat vorzugsweise einen sinus- oder insbesondere sägezahnförmigen Verlauf. Die insbesondere bei hochauflösenden optischen Meßanordnungen sowie bei schnellauflösenden Anwendungen erforderlichen Anforderungen werden durch die Erfindung gelöst. Gleichzeitig ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung die Temperaturregelung der Laserquelle gewährleistet, was eine geringe Verlustleistung, eine gute thermische Leitfähigkeit sowie eine gute Wärmeableitung der Verlustleistung des Peltierelementes bedeutet. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß aufgrund der

• «I · ·

kompakten Bauweise eine stabile Positionierung derTaserquelfe minderen Kapselung in einem Gehäuse möglich ist. Schließlich sind die geringen Kosten für die Realisierung der Erfindung zu erwähnen, da im Prinzip im Handel erhältliche Bauelemente bzw. Materialien verwendet werden können, so daß eine kostengünstige Serienproduktion sichergestellt werden kann. Ein zweckmäßiger Aufbau der Erfindung besteht darin, die Laserquelle bzw. mehrere Laserquellen in Form eines Laserdiodenchips auf ein Substratelement, vorzugsweise in Form eines Keramikträgers aufzubringen, welches durch entsprechende, von einem Piezoschwingelement aufgeprägte periodische Longitudinalschwingungen eine Veränderung der optischen Weglänge zwischen den Laserquellen und allen im Strahlenweg nachfolgenden optischen Elementen hervorruft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Hilfe der einzigen Figur nachfolgend erläutert.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen prinzipiellen Aufbau gemäß Erfindung. In ein Gehäuse 1 aus einem Kunststoff oder Metall wird ein Sockel 2 geklebt mit Kontaktstiften 3 für die nicht dargestellte elektrische Energieversorgung und die Steuerung der verwendeten Bauelemente. Das auf den Sockel 2 geklebte Peltierelement 4 dient dazu, die mit dem Temperatursensor 5, beispielsweise einem NTC, überwachte Temperatur der Laserquelle gemäß Betriebsbedingungen einzustellen. Das Piezoschwingelement 7, das zur Erzielung der gewünschten Schwingungsamplituden von einigen Nanometern bis Mikrometern auch aus mehreren übereinander angeordneten Einzelelementen bestehen kann, ist ebenfalls vorzugsweise mit einem an sich bekannten Thermokontaktkleber für gute Wärmeableitung mit dem Peltierelement 4 verbunden. Der ebenfalls mit Thermokontaktkleber daran befestigte Keramikträger 8 trägt die Laserquelle 6, den Temperatursensor 5 sowie die entsprechenden elektrischen Verbindungselemente. Mit dem beschriebenen Aufbau ist die Temperaturregelung der Laserquelle 6 mit einer geringen Verlustleistung, guter thermischer Ableitung sowie guter Wärmeabfuhr der Verlustleistung des Peltierelementes 4 möglich. In der speziellen Anwendung ist die Laserquelle 6 als Chip mit einer oder mehreren, insbesondere vier Laserdioden ausgebildet, wobei insbesondere senkrecht emittierende Laserdioden, sogenannte VCSEL (Vertical Cavitiy Surface Emitting Laser Diodes) bevorzugt werden. Durch die durch das Piezoschwingelement 7

aufgeprägte Oszillation der Laserquelle 6 in Richtung der optischen Achse 11 ändert sich der optische Strahlenweg in der Gesamtanordnung bis zum nicht dargestellten Strahlungsdetektor, so daß die auftretenden Interferenzen fast vollständig herausgemittelt werden und die Signalauflösung dementsprechend verbessert wird. In die Abschlußkappe des Gehäuses 1 ist eine ebenfalls zur Reduzierung von Interferenzen zwischen festen Oberflächen der Gesamtanordnung vorgesehene schräggestellte Linse 10 eingepaßt. Die mit einem Schutzgas 9 gefüllte Abschlußkappe des Gehäuses 1 dient dem Schutz der Laserquelle 6 und letztlich durch die hermetische Abkapselung der Erhöhung der Lebensdauer der verwendeten Laserdioden. Statt der Abbildung auf einen Strahlungsdetektor könnte das Laserlicht auch nach Modifikation des Abbildungselementes in eine optische Faser eingekoppelt werden. Statt des Longitudinalschwingungen erzeugenden Piezoschwingelementes 7 ist auch die Verwendung von Miniaturmagneten kombiniert mit Spulen oder von die Laserquelle 6 tragenden Bimetallelementen möglich, die entsprechend den gewünschten periodischen Longitudinalschwingungen in Richtung der optischen Achse ausgelenkt und dafür angesteuert werden müssen.

Claims

1. Laseranordnung zur Konzentrationsbestimmung von Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Laserquelle (6) mit Mitteln verbunden ist, welche dieser Longitudinalschwingungen im Bereich von 10 bis 1.000 Hz mit einer Amplitude von mindestens einem Viertel Wellenlänge der Strahlung der Laserquelle (6) in Richtung der optischen Achse (11) aufprägen.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Laserquelle (6) Longitudinalschwingungen parallel zur optischen Achse (11) aufprägenden Mittel Frequenzen aufweisen, die asynchron zu sämtlichen in der Laseranordnung verwendeten Modulationsfrequenzen sind.

3. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (6) auf einem Keramikträger (8) angeordnet ist, wobei der Keramikträger (8) über ein oder mehrere überlagerte Piezoschwingelemente (7) mit einem Peltierelement (4) verbunden ist.

4. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (6) über einen Keramikträger (8) mit einem schwingend gelagerten Metallelement verbunden ist, welches über eine gesteuerte Spule durch periodisch wechselnde Abstoßungen und Anziehungen der Laserquelle (6) Longitudinalschwingungen in Richtung der optischen Achse (11) aufprägt.

5. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (6) über einen Keramikträger (8) mit einem schwingend gelagerten Bimetallelement verbunden ist, das über eine periodische Temperatursteuerung und die dadurch hervorgerufenen Auslenkungen der Laserquelle (6) Longitudinalschwingungen in Richtung der optischen Achse (11) aufprägt.

6. Laseranordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Longitudinalschwingungen einen sägezahn- oder sinusförmigen zeitlichen Verlauf haben.

7. Laseranordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Laserquelle (6) eine Laserdiode ist und auf einem Keramikträger (8) angeordnet ist, wobei der Keramikträger (8) über ein oder mehrere überlagerte Piezoschwingelemente (7) mit einem Peltier- Element (4) verbunden ist, so daß das Piezoschwingelement (7) der Laserquelle (6) Longitudinalschwingungen im Bereich von 10 bis 1.000 Hz mit einer Amplitude von mindestens einem Viertel Wellenlänge der Strahlung der Laserquelle (6) in Richtung der optischen Achse (11) aufprägt.