DE3612733A1

DE3612733A1 - Interferometrischer gasspuerer

Info

Publication number: DE3612733A1
Application number: DE19863612733
Authority: DE
Inventors: Gérard Fortunato; Dominique Lyon Laurent
Original assignee: Elf France SA
Current assignee: Elf Antar France
Priority date: 1985-04-25
Filing date: 1986-04-16
Publication date: 1986-10-30
Also published as: JPS61250543A; FR2581190B1; GB8609397D0; US4732480A; DE3612733C2; GB2174198A; FR2581190A1; GB2174198B

Description

UEXKÜLL & ätOXBERta ' 'european patent attorneys PATENTANWÄLTE BESELERSTRASSE 4 D-20Q0 HAMBURS S2 DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL

DR. ULRICH GRAF STOLBERG D1PL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE DIPL.-ING. ARNULF HUBER DR. ALLARD von KAMEKE

INTERFEROMETRISCHER GASSPURER

Die vorliegende Erfindung betrifft einen interferometrischen GasspiSrer und ist insbesondere auf ein solches Gerät gerichtet, welches hochempfindlich ist und es ermöglicht, mehrere Gase zu analysieren.

Interferometrische Geräte zum Analysieren bzw. Dosieren oder zur Bestimmung von Gasen sind bereits bekannt. yj Bei diesen Geräten wird zwecks interferometrischer Messung häufig eine doppe!brechende Platte zwischen zwei mit einem Interferenzfilter zusammenwirkenden Polarisationselementen verwendet, wobei Mittel zur Einstellung der Dicke der doppe!brechenden Platte zwecks Regulierung des durch dieselbe hervorgerufenen Phasenunterschieds vorgesehen sind. Beispielsweise beeinflusst man die regulierte Temperatur dieser Platte.

Eines der Polarisationselemente wird zwecks Modulation des Systems gedreht, wobei letzteres an seinem Ausgang mit einem Splirer (Detektor) verbunden ist, der während des Ablaufs der Analyse ein Signal abgibt. Bei einem der bekannten Geräte wird durch einen das zu untersuchende Gas und die vorstehend beschriebenen Interferometrie= und Modulationsmittel enthaltenden Behälter hindurch das Bild einer im Ultraviolettbereich arbeitenden Lichtquelle auf einem Spürer erzeugt.

Dieses Gerät verwendet als Polarisationselemente polarisierende Filme, wie z.B. "Polaroid"-Filme®, von welchen einer gedreht wird; das bekannte Gerät arbeitet hinsichtlich der Strahlungsmessungen durchaus einwandfrei, jedoch ist es wünschenswert, über eine empfindlichere Vorrichtung zu verfügen, die überdies auch ohne Abänderungen zum Nachweis mehrerer Gase verwendbar ist.

In der Tat weist das bekannte Gerät mehrere Bauteile auf, die nicht sehr befriedigend arbeiten. Insbesondere ist die Absorptionswirkung der durch polarisierende Filme gebildeten Polarisationselemente verhältnismässig stark, während ihr Löschvermögen ungünstig ist.

Ferner ist das 1m bekannten Gerät verwendete Interferenzfilter insofern nachteilig, als es im Ultraviolettbereich eine geringe Durchlässigkeit von nur 10 bis 15% besitzt und übrigens eine erhebliche Menge von Störlicht durchlässt, sodass die hierdurch hervorgerufenen Störerscheinungen die schwächeren Mess-Signale "übertönen" können.

/L Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hochempfindlichen interferometrischen Gasspürer zu schaffen, der es auch gestattet, ohne Schwierigkeiten mehrer Gase zu analysieren.

Die Erfindung betrifft ein interferometrisches Gerät zum Nachwei-

sen bzw. Analysieren von Gasen eines Gasgemisches, mit einem optischen System, das das Bild einer Lichtquelle auf einem empfindlichen Element eines Spürers (Detektors) erzeugt, welcher sodann ein entsprechendes Signal abgibt, wobei dieses Bild durch einen das zu untersuchende Gasgemisch enthaltenden Behälter hindurch erzeugt wird, dem eine ein Interferenzfilter und eine zwischen einem Polarisator und einem Analysator angeordnete doppelbrechende Platte umfassende interferometrische Einrichtung nachgeschaltet ist, welche ferner Modulationsmittel aufweist.

Erfindungsgemäss 1st dieses Gerät dadurch gekennzeichnet, dass der

Polarisator und der Analysator durch zwei Polarisationsprismen gebildet sind, deren optische Achsen zu derjenigen des Geräts senkrecht liegen und die je zwei photometrisch identische, jedoch geradlinig und senkrecht polarisierte Bilder erzeugen.

Zwecks Modulation des Signals ist es nicht sehr vorteilhaft, eines

der Prismen zu drehen; zu diesem Zweck kann man eine um die optische Achse des Geräts drehbare Halbwellenplatte verwenden. Jedoch ruft die Drehung eines optischen Bauteils in einem Lichtbündel stets Störmodulationserscheinungen hervor, die sich äusserst ungünstig auswirken könne, insbesondere dann, wenn sehr schwache Mess-Signale erfasst werden sollen.

Erfindungsgemäss umfassen die Modulationsmittel einen photoelastischen Modulator mit einer SiIika= oder Flusspathplatte, die durch piezoelektrische Keramikmittel derart erregt wird, dass sie eine druckabhängig veränderliche Doppelbrechung bewirkt. Auf diese Weise wird jegliche Störmodulation vermieden.

Die bekannten Geräte weisen u.a. den Nachteil auf, dass das Interferenzfilter im Ultraviolettbereich eine sehr geringe Durchlässigkeit besitzt, nämlich 10 bis 15%, wobei dieses Filter ferner sog.

"Füsse" oder "Haken" aufweist, die erhebliche Störlichtmengen durchlassen; dieses Störlicht bewirkt Störungen, welche verhältnismässig schwache Signale "übertönen" können.

Erfindungsgemäss wird das Interferenzfilter, wie es in bekannten Geräten zur Anwendung kommt, durch ein holographisches oder graviertes Netz ersetzt, und zwar beispielsweise bei Anwendung im Ultraviolettbereich von 180 bis 1000 nm, durch ein konkaves holographisches Netz mit geringem Krümmungsradius, wobei ein Eingangsschlitz vorgesehen ist, der das Bild des mit einer Lichtquelle zusammenwirkenden Schlitzes ist, sowie ein dem Eingangsschlitz zugeordneter Ausgangsschlitz, der dem Spürer gegenüberliegt.

Durch den geringen, etwa 100 nm betragenden Krümmungsradius wird es ermöglicht, eine hohe Durchlässigkeit von etwa 40% zu erzielen, wobei die Grenz= oder Trennfrequenzen, sowie das Passband dieses Systems scharf festgelegt sind, sodass es sich durchaus zur Verwendung als Filter eignet.

Ferner können sowohl die Trennfrequenzen, wie auch das Passband durch Veränderung der Breite der Schlitze eingestellt werden, und dieses Gerät gestattet es, sich auf mehrere Spektralbereiehe auszurichten, indem man entweder die Schlitze unveränderlich beibehält und das Netz dreht, oder mehrere den gewünschten Spektralbereichen entsprechende Schlitze vorsieht und dieselben durch wahlweise Abdeckung der verschiedenen Bereiche einsetzt.

Wie nachstehend dargelegt, kann auch ein ebenes Netz verwendet werden, oder allgemein gesagt, jegliche mit einem Netz versehene

Demulti plexeranordnung.

Φ Nachstehend werden einige Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren des Näheren beschrieben."

- Figur 1 stellt schematisch ein erfindungsgemässes inter-

ferometrisches Gerät zum Nachweisen bzw. Analysieren

von Gasen dar;

- Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines Teils des

Geräts nach Figur 1;

- Figur 3 zeigt schematisch einen Teil einer Ausführungsform des Geräts mit zwei Doppelbrechungsplatten zur

gleichzeitigen Untersuchung mehrerer Gase;

- Figur 4 zeigt schematisch und von unten gesehen den Ausgang einer Ausführungsform des erfindungsgemässen interferometrisehen Geräts mit einem ebenen Netz. Die in Figur 1 schematisch dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemässen interferometrischen Geräts umfasst eine Lichtquelle S (beispielsweise eine Jod-Quarzlampe für Wellenlängen von mehr als 280 nm, oder eine Deuteriumlampe für Wellenlängen von weniger als 280 nm), einen Lichtquellenschlitz F₁ zwei Objektive 0. und O^ (beispielsweise mit einer jeweiligen Brennweite von 100 mm), deren optische Achsen zusammenfallen und auf den Schlitz F ausgerichtet sind, sowie, zwischen diesen Objektiven angeordnet, von O₁ ausgehend in nachstehender Reihenfolge, einen Gasbehälter C und eine interferometrische Einrichtung I₁ die nachstehend des Näheren beschrieben wird, und an deren Ausgang ein Schlitz F, angeordnet ist, in welchem das Bild des Schlitzes F_Q durch das Objektiv Op den Behälter C, die interferometrische Einrichtung I und das Objektiv 0« hindurch erzeugt wird. Der Schlitz F. bildet den Eingangsschlitz für ein konkaves holographisches Netz H mit kleinem Krümmungsradius und wirkt mit einem Ausgangsschlitz F„ zusammen, der vor dem empfindlichen Element eines Spürers PM angeordnet ist und unter dem Einfluss von auf ihn einfallendem Licht ein Signal s^ abgibt.

Die Interferometrie-Einrichtung I umfasst zwei gleichartige Doppelbild-Polarisationsprismen W, und W„, zwischen denen eine Doppelbrechungsplatte L und ein photoelastischer Modulator M angeordnet sind. Die beiden unter sich gleichartigen Doppelbild-Polarisationsprismen W, und W« können beispielsweise zwei Wollastonprismen oder zwei Rochonprismen od. dgl. sein. Sie können z.B. aus Magnesiumfluorid bestehen, und ihre Bauteile sind haftfähig (aber nicht geklebt). Im Ausführungsbeispiel gemäss der Figur sind die Prismen W^ und Wp durch Wollastonprismen gebildet.

Zwecks Einstellung der gewünschten Ubertragungsdifferenz (Phasenunterschied) ist die Doppelbrechungsplatte L einer Temperaturregulierung unterworfen.

Der photoelastische Modulator M besteht aus einer durch piezoelektrische Keramik erregte Silika= oder Fluorinplatte und bildet folglich eine durch Druck regulierbare Doppelbrechungsplatte. Die optische Achse des Modulators M ist zu derjenigen der Platte L parallel.

Figur 2 illustriert die Arbeitsweise der die beiden Wollastonprismen W. und W„ umfassenden Interferometrie-Einrichtung I.

Das Prisma W, erzeugt, von einer ebenen, natürlichen Lichtwelle ausgehend, zwei unabhängige und in zwei zueinander senkrechten Richtungen P, und P« polarisierte Wellen. Die Achsen des photoelastischen Modulators M und der Doppelbrechungsplatte L sind parallel zu einander und bilden Winkel von 45° mit P, und P₂, sodass sie zwei zueinander parallele Polarisationswellenpaare (V₁, V₁) und (V₂, V'₂). Die Wellen eines jeden Wellenpaares sind kohärent, um Φ phasenverschoben und zueinander senkrecht polarisiert (unter 45° in bezug auf P^ oder P₂). Das Prisma W₂ erzeugt für jedes vorangehende Wellenpaar zwei neue

Wellenpaare mit zwei parallelen und parallel polarisierten Wellen.

Somit treten am Ausgang die Paare 1, 2, 3 und 4 auf. Zwischen den beiden Wellen liegt Interferenz vor und sie werden durch das Objektiv 0« im Punkt I^ mit einer zu 1 + cos Φ proportionellen Lichtstärke gesammelt. Die beiden Wellen 4 werden desgleichen mit einer zu 1 + cos φ proportionellen Lichstärke im Punkt £ gesammelt. Die Wellenpaare 2 und 3 sind parallel und werden mit einer zu 2(l-cos φ) proportionellen Lichtstärke im Brennpunkt von O₂ gesammelt.

Zwecks Auswertung muss einer der Sammelpunkte isoliert werden; vorzugsweise wird hierbei der Brennpunkt des Objektivs 0« gewählt, da dort das Bild eine Lichtstärke besitzt, die doppelt so gross ist wie diejenige der beiden anderen Bilder. Dies wird durch eine geeignete Anordnung des Schlitzes F, erzielt (s. Figur 1).

Wie ersichtlich, ist das oben beschriebene Gerät für die gleichzeitige Untersuchung mehrerer Gase verwendbar.

Hierbei müssen die verschiedenen nachzuweisenden Gase jedoch

notwendigerweise ein Absorptionsband besitzen, das in einem und demselben Spektral bereich liegt, zum Beispiel im ultraviolette und sichtbare Strahlungen umfassenden Bereich von 180 bis 1000 nm, damit man ein und dieselbe Strahlungsquelle, ein und denselben Spürer und ein und dasselbe holographische Netz verwenden kann.

Theoretisch entspricht jeder Gas-Feinstruktur eine optimale Dicke der Doppelbrechungsplatte; jedoch ist die zulässige Massabweichung hier nicht besonders eng. in der Tat erfolgt das Anwachsen der Interferenzstreifen einer Feinstruktur mit einer Periode δσ (wobei σ die 1/λ entsprechende Wellenzahl darstellt) bei einem Phasenunterschied von

wobei jedoch einige Dutzend Interferenzstreifen mit ausgeprägtem Kontrast wiedererscheinen.

Bei SO₂-GaS liegen folgende Verhältnisse vor: Δ = eAn = ΙΟΟλ ± 10λ; wobei e die Dicke und Δη die Doppelbrechung darstellt.

Für e beträgt die zulässige Abweichung (Toleranz) Ae = 10λ/Δη; für Δη = 10~²,

λ = 300 nm (ultraviolett), oder δθ = 0.3 nm, somit kann die Dicke zwischen 2,7 und 3,3 mm liegen.

Die Toleranz ist um so grosser, je weniger das Spektrum periodisch ist. Die Erfahrung hat gelehrt, dass man vermittels ein und derselben Platte gleichzeitig SO«, NOg, NO und 0« untersuchen kann, was bei Umgebungsmessungen und Abgabemessungen äusserst vorteilhaft ist.

Wenn eine einzige Platte für die gleichzeitige Untersuchung mehrerer Gase nicht hinreichend ist, können mehrere Platten geeigneter Stärke gebündelt verwendet werden.

Beispielsweise können, wie in Figur 3 dargestellt, zwei Platten kombiniert werden. Die beiden Doppelbrechungsplatten L₁ (Dicke e^) haben parallele Achsen, die unter 45° zu denjenigen des photoelastischen Modulators M geneigt sind.

Diese Anordnung ermöglicht es, gleichzeitig über eine Plattendicke von e, + e₂ und eine Plattendicke von e, - e₂ zu verfugen. Figur 4 zeigt eine Ausfdhrungsform des erfindungsgemässen interferometrischen Geräts, bei dem das konkave holographische Netz H durch ein ebenes holographisches oder graviertes Netz H¹ ersetzt ist, welches unmittelbar hinter dem zweiten Wollastonprisma W₂ angeordnet ist, derart, dass die Linien dieses Netzes H¹ horizontal, d.h. parallel zur Ebene der Figur 4 liegen, die eine Draufsicht des Gerätes ist. Das Sammelobjekt!ν O₂ gemäss Fig. 1 und 2, das zwischen dem Prisma W₂ und dem Schlitz F, angeordnet ist, wurde hier durch ein Objektiv 0'₂ ersetzt, welches dem Netz H¹ nachgeordnet ist und auf dem empfindlichen Element des Spürers PM, der ein Signal Δ abgibt, ein Bild F¹ des Lichtquellenschlitzes F erzeugt.

Wie vorstehend beschrieben, wird ein mittleres Bild mit einer Lichtstärke erzeugt, die der doppelten Lichtstärke der beiden seitlichen Bilder entspricht, und vorteilhafterweise wird dieses mittlere Bild benutzt.
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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1,- Interferometrisches Gerät zur Bestimmung bzw. analytischen Untersuchung von Gasen, mit einem optischen System, das ein Bild einer Lichtquelle (S) auf dem empfindlichen Element eines Spürers durch einen das zu analysierende Gasgemisch enthaltenden Behälter (C) hindurch, hinter welchem eine interferometrische Einrichtung (I) angeordnet ist, die ein Interferenzfilter und eine zwischen einem Analysator und einem Polarisator angeordnete Doppelbrechungsplatte (L) umfasst und mit Modulationsmitteln zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysator und der Polarisator aus zwei Polarisationsprismen (Wp Wg) bestehen, deren optische Achsen zu derjenigen des Geräts senkrecht liegen und die je zwei photometrisch gleiche, aber geradlinig und senkrecht polarisierte Bilder erzeugen, und dass die Modulationsmittel einen photoelastischen Modulator (M) umfassen, der eine mit piezoelektrischen Keramikmittel zusammenwirkende und schwingungserregte Silika= oder Fluorinplatte aufweist, derart, dass das Doppelbrechungsvermögen der Doppelbrechungsplatte (L) durch Druckeinwirkung veränderlich ist, wobei die Plattenachse zu derjenigen der Doppelbrechungsplatte (L) parallel 1st und das Interferenzfilter aus einer

Netz-Multiplexereinrichtung (H, H¹) besteht.

2,- Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzfilter ein konkaves holographisches Netz (H) mit geringem Krümmungsradiusradius und einen Eingangsschlitz (F.) umfasst, welcher das Bild eines der Lichtquelle (S) zugeordneten Lichtquellenschlitzes (F₂) ist, sowie einen dem Eingangsschlitz zugeordneten Ausgangsschlitz (F₂), der dem Spürer gegenüberliegt.

3.- Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsschlitz und der Ausgangsschlitz ortsfest angeordnet sind, während das Netz nach Massgabe des gewählten Spektralbereichs drehbar

4.- Gerät nah Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einem Eingangsschlitz (F,) mehrere Ausgangsschlitze (F₂) entsprechen, die nach Massgabe der gewünschten Spektralbereiche wählbar, sowie wahlweise abdeckbar sind.

5.- Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzfilter durch ein graviertes oder holographisches ebenes Netz (H¹) gebildet wird, welches unmittelbar hinter dem zweiten

«ι

Prisma (W«) angeordnet ist und dem zwecks Strahlensammlung in einem dem Spürer gegenüberliegenden Ausgangsschlitz (F',,) Lichtquelle (S) zugeordneten Lichtquellenschlitzes (F_Q) nachgeordnet ist.

6.- Gerät nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch 5 gekennzeichnet, dass es wenigstens zwei Doppelbrechungsplatten (L₁, L₂) aufweist.