-
Diese Erfindung bezieht sich auf eine dynamische
Lichtstreuungseinrichtung.
-
Die dynamische Lichtsteuungsmessung ist eine bekannte
Technik zur Untersuchung der hydrodynamischen
Eigenschaften von Fluiden und von in Fluiden suspendierten
Teilchen. Sie wird zur Untersuchung der Lösungszustände von
Makromolekülen in Flüssigkeiten und Kolloiden und zur
Untersuchung von in Gasen suspendierter Korpuskularmaterie
verwendet. Licht wie etwa ein Laserstrahl fällt auf eine
Teilchen-Suspension und wird durch die Teilchen einer
Rayleigh- oder Mie-Streuung unterworfen. Die Teilchen
führen eine Brownsche Bewegung aus und dabei schwankt die
Intensität des Streulichts mit der Zeit auf eine Weise,
die die Teilchenbewegung charakterisiert. Die Messung
dieser Intensitätsschwankung mittels bekannter
Autokorrelationstechniken erlaubt die Bestimmung des
Teilchendiffusionskoeffizienten und des hydrodynamischen Radius
zusammen mit der damit verbundenen Information. Die
Autokorrelation ist im britischen Patent Nr. 1,290,336
beschrieben.
-
Die dynamische Lichtstreuungsmessung umfaßt die Laser-
Doppler-Velocimetrie (LDV) und die
Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), die quasielastische Lichtstreuung (QELS), die
Intensitätsschwankungs-Spektroskopie (IFS) und die
Photonenkorrelations-Spektroskopie (PCS). Sie ist in den
letzten Jahren Gegenstand einer erheblichen
wissenschaftlichen Forschung gewesen, wobei eine frühe Arbeit in
"Dielectric and Related Molecular Processes", Bd. 2,
Mansel Davies (Hrsg)., Specialist Periodical Report (London:
The Chemical Society), Seiten 48 bis 105, 1975, P.N.
Pusey und J. M. Vaughan, erschienen ist.
-
Eine typische, im Handel erhältliche Einrichtung zur
Beobachtung der dynamischen Lichtstreuung stellt der Typ
Nr. PCS 100 dar, der von Malvern Instruments Ltd., einer
britischen Gesellschaft, hergestellt wird. Sie umfaßt
einen Laser und eine Linse zum Fokussieren des Laserstrahls
auf eine Einschnürung oder einen minimalen Durchmesser.
Die Einschnürung ist so angeordnet, daß sie in einer
Probenzelle liegt, die die betreffende Teilchen-Suspension
enthält. Das durch die Suspension in einem ausgewählten
Winkel gestreute Licht wird durch eine Linse auf einen
optischen Spalt abgebildet. Die Überlagerung des
Spaltbildes mit dem Laserstrahl begrenzt oder definiert das
Volumen, von dem gestreutes Licht empfangen wird. Das
Licht divergiert von dem Spalt in einen weiten
Feldbereich (in bezug auf die Linse), in dem ein
Fleck-Interferenzmuster beobachtet wird. In diesem Bereich ist eine
kleine Blende angeordnet, wobei gestreutes Licht durch
diese Blende hindurchgeht, um von einem
Photoelektronenvervielfacher erfaßt zu werden. Bei einem
Argonionen-Laserlicht (Wellenlänge 0,5 um) lägen die Spaltbreite und
der Blendendurchmesser in der Größenordnung von 100 um
bzw. 200 um. Die Abstände zwischen der Laserstrahl-
Einschnürung und der Linse und zwischen der Linse und dem
Spalt liegen jeweils in der Größenordnung von 10 cm. Die
Blende befindet sich ungefähr 2 cm vom Spalt entfernt.
-
Die Blendengröße ist bei jeder Lichtstreuungsmessung
wichtig, weil durch sie der sogenannte "Kohärenzbereich"
festgelegt wird. Pusey u.a., die oben erwähnt worden
sind, beschreiben den Begriff des Kohärenzbereichs auf S.
68. Er ergibt sich aus der folgenden Analyse. Das von dem
begrenzten Streuvolumen in einem bestimmten Winkel
gestreute Licht stellt die Resultierende einer
Vektoraddition von einzelnen Amplituden dar, die jeweils durch
die im Volumen verteilten Teilchen gestreut werden. Jede
einzelne gestreute Amplitude besitzt eine entsprechende
Phase, wobei die Vektoraddition zum Interferenzprozeß
beiträgt. Da die Blende eine endliche Größe besitzt,
entspricht das an verschiedenen Punkten entlang ihres
Durchmessers empfangene Licht verschiedenen Streuwinkeln.
Die daraus resultierende Amplitudensummierung wird sich
daher an den Punkten entlang des Durchmessers
unterscheiden. Wenn der Durchmesser hinreichend groß ist,
ermöglicht der durch die Blende ermöglichte Winkelbereich die
Erfassung unkorrelierter Resultierender. Die von Pusey
u.a. aufgestellte Forderung besteht darin, daß sich die
Phasen der von der Blende angenommenen Resultierenden um
nicht mehr als 2π unterscheiden. Dann wird von der Blende
gesagt, daß sie einen einzigen Kohärenzbereich überträgt,
der zueinander korrelierten Lichtanteilen oder
Resultierenden entspricht.
-
Das von der Blende übertragene Licht wird durch einen
Photoelektronenvervielfacher erfaßt, dessen Ausgang an
eine Autokorrelationseinrichtung geliefert wird. Diese
Einrichtung korreliert das Signal des
Photoelektronenvervielfachers mit einer zeitverzögerten Version desselben,
um eine normierte Intensitäts-Autokorrelationsfunktion
g(2) (τ) zu erzeugen, wobei τ die Zeitverzögerung ist.
Diese Funktion ist die Fourier-Transformierte des
Leistungsspektrums oder der Intensität der
Frequenzkomponenten, die durch die streuende Suspension erzeugt werden.
Jedes gestreute Photon erfährt entsprechend der
Geschwindigkeit
des betreffenden streuenden Teilchens eine
Dopplerverschiebung seiner Frequenz gegenüber derjenigen
des Lasers.
-
Die Beziehungen zwischen der gemessenen, normierten
Intensitäts-Autokorrelationsfunktion g(2) (τ), der
normierten Autokorrelationsfunktion g(1)(τ) des elektrischen
Feldes oder der Amplitude und des Amplitudenspektrums n(ω
) des gestreuten Lichts werden im britischen Patent Nr.
1,290,336 folgendermaßen angegeben:
-
wobei ω die Strahlungskreisfrequenz ist.
-
Die Autokorrelationstechnik enthält Messungen von
für jeden Wert eines τ-Bereichs. Anschließend werden die
Ergebnisse durch ein wohlbekanntes Computerverfahren
analysiert, wodurch der Diffusionskoeffizient der
suspendierten Teilchen erhalten wird, aus dem der
hydrodynamische Radius abgeleitet werden kann.
-
Der Wert von [g(2)(τ) - 1] bei τ = 0, d.h. bei einer Null-
Verzögerung ist ein Hinweis auf die optische Qualität der
Lichtstreuungsmeßeinrichtung. Aus Gleichung (2) ergibt
sich, daß er gleich g(1)(0) ² ist, was mathematisch als
Folge der Normierung gleich der Eins ist. Im allgemeinen
kann gesagt werden, daß er einer Leistungszahl oder einem
Signal-/Rauschverhältnis entspricht und durch die
Extrapolation eines experimentellen Graphen von g(2)(τ) gegen τ
erhalten wird. In der Praxis liegen typische Werte von
[g(2)(0) - 1] für handelsübliche Instrumente im Bereich
zwischen 0,3 und 0,5. Bei äußerster Sorgfalt kann ein
Wert von 0,7 erhalten werden, was die theoretische Grenze
für eine herkömmliche Einrichtung von der Art darstellt,
die so beschaffen ist, daß sie einen einzigen
Kohärenzbereich erfaßt. Siehe beispielsweise J. Phys. A, Bd. 3,
L45, 1970, Jakeman u.a. In Biopolymers Bd. 15, S. 61 bis
95 (1976) geben Jolly und Eisenberg Vorsichtsmaßnahmen
zur Maximierung der Leistung an. Die Autoren verwendeten
ein Goniometer und brachten für das gestreute Licht eine
Sammeloptik an, um Messungen in einem Bereich von
Streuwinkeln zu ermöglichen. Der Laser und das Goniometer
waren an benachbarten Marmortafeln angebracht, die auf
gummiüberzogenen Betonpfeilern angeordnet waren. Die Pfeiler
waren auf getrennten Betonsockeln angeordnet, die auf dem
Sandboden unter dem Labor unter Einfügung einer
Korkschicht gehalten wurden. Diese Anordnungen schafften
einen sehr hohen Grad von mechanischer Isolation. Sie
erläutern auch die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit
der Verwendung herkömmlicher optischer Komponenten in
dynamischen Lichtstreuungsmessungen. Das optische System
muß genau ausgerichtet sein. Es muß folglich im
wesentlichen vibrationsfrei gehalten werden, so daß störende
Intensitätsschwankungen am Detektor nicht auftreten. Ferner
müssen die optischen Komponenten extrem reine Oberflächen
besitzen, außerdem muß der optische Weg frei von
Staubteilchen sein. Jegliche Staubteilchen im Lichtweg
erzeugen eine störende Lichtstreuung, die die Meßergebnisse
stark beeinflußt. Diese Kriterien bezüglich der Reinheit
und der mechanischen Isolation sind in einer typischen
Einrichtung mit einem Volumen in der Größenordnung eines
Kubikmeters sehr schwer zu erfüllen.
-
Bei Versuchen zur Überwindung der Nachteile herkömmlicher
optischer Systeme sind verschiedene Formen von
dynamischen
Lichtsteuungseinrichtungen auf der Grundlage von
Lichtleitfasern entwickelt worden. In Rev. Sci. Instrum.
54 (8), August 1983, beschreiben Haller u.a. ein
lichtstreuendes Photometer zur Messung der
Intensitätsschwankung in Abhängigkeit vom Streuwinkel. Zum Einstellen
eines Laserstrahls auf den Mittelpunkt einer Streuzelle
werden herkömmliche optische Komponenten verwendet. Um
die Zelle ist eine in Winkelrichtung verteilte Anordnung
von Linsen, Spalten und Lichtleitfasern angeordnet, um
Licht an einen Detektor zu übertragen. Jede Linse bildet
den Zellenmittelpunkt oder das Streuvolumen auf einen
entsprechenden Spalt ab, wobei das durch jeden Spalt
hindurchgehende Licht durch eine entsprechende Multimoden-
Lichtleitfaser gesammelt und an den Detektor übertragen
wird. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß
atmosphärischer Staub das gestreute Licht nicht störend
beeinflussen kann, sobald es sich in der Faser befindet.
Außerdem ist die Faseranordnung erheblich kompakter als
es ein äquivalentes herkömmliches optisches System wäre.
Haller u.a. fordern jedoch noch immer herkömmliche
optische Komponenten, um das Laserlicht an die Zelle zu
übertragen und um das gestreute Licht für dessen Eintritt
in die Fasern zu sammeln.
-
Eine Lichtleitfaser-Lichtstreuungseinrichtung mit weiter
verringerter Abhängigkeit von herkömmlichen Optiken wird
von Auweter und Horn in Journal of Colloid and Interface
Science, Bd. 105, Nr. 2, Juni 1985, S. 399 bis 409
beschrieben. Das Licht von einem Laser wird durch eine
Linse auf ein Ende einer Multimoden-Lichtleitfaser
fokussiert, die mit einem ersten Zweig eines optischen Y-
Kopplers verbunden ist. Das Licht bewegt sich durch den
Koppler an eine zweite Multimoden-Lichtleitfaser, von der
ein Ende in die streuende Suspension eingetaucht ist. Das
zurückgestreute Licht kehrt entlang der zweiten Faser an
den Koppler zurück, indem es auf zwei Kopplerzweige
aufgeteilt wird. Das an einen zweiten Kopplerzweig
gekoppelte Licht verläuft entlang einer dritten
Multimodenfaser und wird an eine Linse ausgegeben. Die Linse
bildet das Licht auf ein Stiftloch ab, dessen Durchmesser
50 um beträgt. Das durch das Stiftloch sich bewegende
Licht fällt auf einen Detektor ein. Das Stiftloch wirkt
als "Kohärenzblende", die die Anzahl Ncoh der den
Detektor erreichenden Kohärenzbereiche beschränkt.
-
Auweter und Horn beobachten, daß das
Signal/Rauschverhältnis in Lichtüberlagerungsexperimenten von
Ncoh abhängt, was kleiner als Eins sein sollte. Dies ist
äquivalent zu dem weiter oben erwähnten Kriterium, daß
die Blende nur Resultierende durchlassen sollte, die sich
in ihrer Phase um weniger als 2π unterscheiden. Auweter
und Horn verwenden einen Wert von Ncoh von 0,07 für die
in Wasser eingetauchte zweite Lichtleitfaser. Dies
entspricht einer Kohärenzblende, die gleich 1/14 der
maximalen Größe eines Kohärenzbereichs ist. Da dieser Wert
sehr klein ist, erwarteten sie im Ergebnis ein gutes
Signal-/Rauschverhältnis. Sie erwähnen die alternative
Möglichkeit der Verwendung von Einmoden-Fasern ohne
Stiftloch oder Kohärenzblende, sie weisen jedoch darauf hin,
daß dies einen Wert von Ncoh von typischerweise 0,68 zur
Folge hätte. Sie schließen daraus, daß die Kombination
von Multimoden-Lichtleitfasern und einer Kohärenzblende
um einen Faktor Zehn besser als das Einmoden- oder
Monomoden-Äquivalent ist.
-
Auweter und Horn beschreiben außerdem die Verwendung
einer heterodynen (genauer: homodynen) Erfassung. Das den
Detektor erreichende gestreute Licht unterliegt einer
Mischung mit dem ursprünglichen oder ungestreuten
Laserlicht, das als Überlagerungsoszillator wirkt. Folglich
werden Schwebungssignale erzeugt. Das ursprüngliche
Laserlicht entsteht aus Reflexionen an den Faserenden und
aus Unvollkommenheiten der Lichtleitfaser. Die heterodyne
oder homodyne Erfassung ist bei Lichtstreuungsmessungen
von Vorteil, weil gezeigt werden kann, daß dies
verbesserte statistische Eigenschaften des Systems und außerdem
eine geringere Empfindlichkeit gegenüber einer störenden
Streuung durch Blasen in der Flüssigkeit zur Folge hat.
Es ist jedoch sehr schwierig, diese Art von Messung unter
Verwendung eines herkömmlichen optischen Systems (ohne
Fasern) auszuführen; die erforderlichen Optiken nehmen
schlecht handhabbare Ausmaße an und erweisen sich als
äußerst schwierig in bezug auf die Gewinnung und
Aufrechterhaltung der Ausrichtung.
-
Die Lichtstreuungseinrichtung von Auweter und Horn stellt
gegenüber dem herkömmlichen optischen Äquivalent eine
erhebliche Verbesserung dar. Sie schafft stark verringerte
Abmessungen und Kosten. Sie bleibt jedoch den
Beschränkungen herkömmlicher Systeme im Hinblick auf den Wert von
[g(2)(0) - 1] unterworfen, dessen theoretischer
Maximalwert bei 0,7 liegt.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Lichtstreuungseinrichtung zu schaffen, mit der
ein erhöhter Wert von [g(2)(0) - 1] geschaffen werden
kann und die für die Implementierung von Lichtleitfasern
geeignet ist.
-
Die vorliegende Erfindung schafft eine dynamische
Lichtstreuungseinrichtung, die einen Laser, der so beschaffen
ist, daß er in einem fluidalen Streuvolumen einen
Laserstrahl
erzeugt, und Einrichtungen zum Sammeln und
Erfassen des vom Streuvolumen gestreuten Lichtes umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung außerdem eine
Einrichtung enthält, um für das vom Streuvolumen
gestreute Licht eine räumliche Fourier-Transformation
auszuführen und um für die Erfassung eine einzige
räumliche Mode zu isolieren.
-
Wie später genauer beschrieben wird, besitzt die
Einrichtung der Erfindung einen theoretischen Maximalwert für
[g(2)(0) - 1] von 1,0. Darüber hinaus haben
Ausführungsformen der Erfindung regelmäßig Werte von 0,97 oder
besser bei vergleichsweise mäßigen Standards hinsichtlich
der experimentellen Sorgfalt erzielt. Solche Werte sind
mehr als doppelt so groß wie das Äquivalent von 0,4 bei
typischen herkömmlichen optischen Systemen und um nahezu
40% besser als ihr theoretischer Grenzwert. Der Grund
hierfür ist der folgende: Da herkömmliche Systeme das
Licht, das von einem Bereich aufgenommen wird, der
kleiner oder gleich dem Kohärenzbereich ist, begrenzen,
begrenzen sie auch die maximale Anzahl von Streuern, die
zu dem gemessenen Signal beitragen können. Die Erfindung
führt am gestreuten Licht eine Fourier-Transformation aus
und isoliert hiervon eine einzelne räumliche Mode. Diese
Mode entspricht einer einzelnen ebenen Welle aus dem
Streuvolumen, zu der sämtliche Streuer im Volumen während
einer ausreichend langen Zeitdauer beitragen. Die
statistischen Eigenschaften des Fourier-Zugangs der Erfindung
sind grundsätzlich besser als die tatsächliche
Abbildungs-/Kohärenzbereich-Anordnung des Standes der Technik,
was sich in einer beachtlichen theoretischen und
praktischen Verbesserung von [g(2)(0) - 1] niederschlägt. Das
gestreute Licht kann durch eine Fokussierungseinrichtung
wie etwa eine Linse mit einer Blende in der Fourier-
Ebene, deren Größe an ein Airysches Beugungsscheibchen
der Linse angepaßt ist, fouriertransformiert werden. Die
Blende kann eine Stirnfläche einer
Einmoden-Lichtleitfaser sein, wobei die Faser so beschaffen ist, daß sie
unerwünschte räumliche Moden dämpft. Diese Ausführungsform
der Erfindung ist insofern besonders vorteilhaft, daß die
Faser als räumliches Tiefpaßfilter wirkt, daß
Unvollkommenheiten der räumlichen Mode im Laserstrahl und ferner
eine Fehlanpassung zwischen der Blende und der Fourier-
Ebene der Linse kompensiert. Die Faser kann an eine
Einmoden-Lichtleitfaser-Kopplungseinrichtung gekoppelt
sein, die so beschaffen ist, daß sie zwischen gestreutem
und nicht gestreutem Laserlicht eine Lichtschwebung
erzeugt. Im Gegensatz zum Stand der Technik von Auweter
und Horn, der die Verwendung von Einmodenfasern als
nachteilig ansieht, hat sich herausgestellt, daß
derartige Fasern für Lichtschwebungsexperimente ideal geeignet
sind. Der Grund hierfür besteht darin, daß eine
Einmodenfaser Licht als ebene Welle überträgt, die senkrecht zur
Faserachse orientiert ist und sich entlang derselben
ausbreitet. Folglich erzeugt die Einmoden-Lichtleitfaser-
Kopplungseinrichtung die für Lichtstrahlen erforderliche
heterodyne oder homodyne Mischung, die durch die genaue
Überlagerung zweier Wellen miteinander gegeben ist.
Dagegen stützen sich Auweter und Horn auf die Multimoden-
Mischung, die keine genaue Überlagerung erzeugen kann und
zu Ungenauigkeiten aufgrund von
Modenmischungsveränderungen neigt.
-
In einer alternativen Ausführungsform schafft die
Erfindung eine Lichtstreuungseinrichtung, in der der Laser und
die Fourier-Transformations- und Isolationseinrichtungen
mittels Integrationstechniken auf einem einzelnen Träger
hergestellt sind. Dieser Träger kann auch die der
Isolationseinrichtung
zugehörige Erfassungseinrichtung
enthalten. Diese Ausführungsform kann einen Laser mit
Schichtaufbau umfassen, der auf dem Träger angeordnet ist und
auf dem eine Linse angebracht ist. Die
Fourier-Tranformations- und Isolationseinrichtung kann eine zweite Linse
sein, die in ihrer Fourier-Ebene eine Einrichtung wie
etwa eine Blende besitzt, um eine einzelne räumliche Mode
zu isolieren.
-
Zum vollständigen Verständnis der Erfindung werden nun
Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, von denen:
-
Fig. 1 eine schematische Zeichnung einer dynamischen
Lichtsteuungseinrichtung der Erfindung ist;
-
Fig. 2 eine genauere Querschnittsansicht eines Teils
der Einrichtung von Fig. 1 ist, um den
Lichteintritt und den Lichtaustritt aus einem
Streuvolumen zu erläutern;
-
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines teilweise
demontierten Linsenhalters der Fig. 1 und 2
ist;
-
Fig. 4 eine schematische Endansicht des
Linsenhalters von Fig. 3 ist;
-
Fig. 5 die Fourier-Transformation von ebenen Wellen
in einzelne räumliche Moden mittels einer
Linse erläutert;
-
Fig. 6 einzelne Airysche Beugungsscheibchen, die
durch die Linse von Fig. 5 erzeugt werden,
erläutert;
-
Fig. 7 eine Phasenveränderung im gestreuten Licht
erläutert, das als ebene Welle auf die Linse
von Fig. 5 fällt;
-
Fig. 8 Auftragungen von [g(2)(τ) - 1] gegen die
Korrelationszeit-Verzögerung 7 für eine
Einrichtung der Erfindung und für eine Einrichtung
des Standes der Technik zeigt;
-
Fig. 9- 11 schematisch Einzelwinkel-, Doppelwinkel- bzw.
Vielfachwinkel-Lichtstreuungsanordnungen der
Erfindung zeigen;
-
Fig. 12-14 schematisch homodyne
Lichtschwebungsanordnungen der Erfindung erläutern und sich auf
Einzelwinkel-, Doppelwinkel- bzw. Doppelproben-
Messungen beziehen;
-
Fig. 15 schematisch eine Ausführungsform der
Erfindung erläutert, in der eine Stiftloch-Blende
für die Isolation von räumlichen Moden
enthalten ist;
-
Fig. 16 schematisch eine Ausführungsform der
Erfindung zeigt, die für die Herstellung mittels
Integrationstechniken geeignet ist; und
-
Fig. 17 schematisch eine Ausführungsform der
Erfindung zeigt, die für die
Laser-Doppler-Differenzvelocimetrie ausgebildet ist.
-
In Fig. 1, die nicht maßstabsgetreu ist, ist eine
schematische Zeichnung einer dynamischen
Lichtstreuungseinrichtung 10 der Erfindung gezeigt. Die Einrichtung 10 umfaßt
einen Laser 12, der einen Lichtstrahl 14 emittiert, der
durch eine Mikroskop-Objektivlinse 16 in eine Einmoden-
Lichtleitfaser 18 geleitet wird. Die Faser 18 endet in
einer Linsenhalterung 20, welche eine Linse 22 hält, die
in einer Lichtstreuungsflüssigkeit 26 eine Laserstrahl-
Einschnürung 24 erzeugt. Das bei 24 in den nicht
abgelenkten Laserstrahl gestreute Licht verläuft durch eine
Blende 28 zu einer zweiten Linse 30, die in einer
Linsenhalterung 32 angebracht ist. Eine zweite
Einmoden-Lichtleitfaser 34 endet in der (nicht gezeigten) hinteren
Brennebene der zweiten Linse 30. Wie später genauer
beschrieben wird, definiert die zweite Faser 34 eine
Blende in der Fourier-Ebene der Linse 30, wobei die
Blendengröße an den Durchmesser eines Airyschen
Beugungsscheibchens der Linse angepaßt ist. Die Faser 34
überträgt daher eine einzige räumliche Mode des gestreuten
Lichts, das einer auf die Linse 30 fallenden einzelnen
ebenen Welle entspricht. Das von der Faser 34 übertragene
Licht bewegt sich an einen Photodetektor 36. Das (nicht
gezeigte) Ende der Faser 34 ist so beschaffen, daß es mit
dem Photodetektor 36 in Kontakt ist oder sich sehr nahe
an diesem befindet, wobei keine Zwischenblende
erforderlich ist. Die Signale vom Photodetektor 36 durchlaufen
ein Photonenkorrelator- und Computersystem 38.
-
Nun wird die Funktion der Einrichtung 10 kurz skizziert,
wobei eine genauere Analyse später gegeben wird. Da die
zweite Faser 34 das Licht von der Fourier-Ebene der Linse
30 sammelt, nimmt sie einen Teil des Lichts auf, welcher
von sämtlichen Streuern im Gesichtsfeld der Linse 30
gestreut wird. Wenn die Faser 34 genau auf der optischen
Achse der Linse 30 angeordnet ist, was von Vorteil,
jedoch nicht wesentlich ist, nimmt die Faser nur das
Licht auf, das auf die Linse 30 als ebene Welle fällt,
die zu der optischen Achse der Linse senkrecht ist.
Dagegen verwendet der Stand der Technik optische Systeme,
die so beschaffen sind, daß sie Licht von reellen Bildern
des Streuvolumens erfassen. Darüber hinaus beschränkt der
Stand der Technik durch die Einschränkung der Erfassung
auf einen Kohärenzbereich die Größe des Streuvolumens und
somit auch die Anzahl der Streuer. Ein Folge hiervon ist,
daß der Stand der Technik schlechtere statistische Werte
und einen Maximalwert von [g(2)(τ) - 1] bei τ = 0 von 0,7,
typischerweise jedoch eher von 0,4 besitzt. Eine
Einrichtung der Erfindung hat einen Wert für diesen Parameter
von mehr als 0,95 ergeben, was mehr als das Doppelte des
typischen Wertes des Standes der Technik und bedeutend
größer als der theoretische Grenzwert des Standes der
Technik ist.
-
In Fig. 2, in dem vorher beschriebene Teile mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist eine genauere
Querschnittsansicht der Linsenhalterungen 20 und 32 und
der Streuflüssigkeit 26 von Fig. 1 gezeigt. Die
Flüssigkeit 26 wird in einer Zelle 50 mit quadratischem
Querschnitt gehalten. Die Linsenhalterungen 20 und 32 sind
identische Bauteile, wobei der einzige Unterschied
zwischen ihnen außer den Herstellungstoleranzen der
Abstand der jeweiligen Lichtleitfaser 18 bzw. 34 von der
entsprechenden Linse 22 bzw. 30 ist. Nun wird die
Linsenhalterung 32 beschrieben. Sie umfaßt eine
Linsenbefestigung 50 in Form einer Messingplatte mit einer die Linse
30 aufnehmenden Aussparung 52. Die Aussparung 52 besitzt
eine mittige Bohrung 54, in die die Lichtleitfaser 34
eingeschoben ist, wobei die Faser in einem Abstand von
der Linse endet, der gleich der Brennweite derselben ist.
Die Faser 34 ist wie erwähnt eine Einmoden-Faser und kann
eine hohe (polarisationserhaltende) Doppelbrechungs-
Vielfalt besitzen. Sie umfaßt einen zentralen Glaskern
mit einem Glasüberzug und einer umgebenden Polymer-
Ummantelung, was wohlbekannte Merkmale sind, die nicht
erläutert werden. Die Polymer-Ummantelung ist im Bereich
der Faser in der Nähe und innerhalb der Linsenhalterung
32 beseitigt.
-
Die Faser 34 ist innerhalb eines
Feinbohrungs-Kapillarrohrs 56 angeordnet, welches wiederum in einem Loch in
einem Messingblock 58 verschiebbar ist. Die Faser 34 ragt
ungefähr 1 mm aus dem an die Linse 30 angrenzenden Ende
der Kapillarbohrung hervor. Die Linsen-Faser-Isolation
ist durch Verschieben des Rohrs 56 im Block 58
einstellbar. Die Faser 34 ist am Rohr 56 mittels eines
lichtdurchlässigen Klebstoffs befestigt, der sich ein kurzes
Stück entlang der Faser erstreckt. Der Klebstoff 60
verringert die mechanische Beanspruchung in der Faser 34
dort, wo sie in das Rohr 56 eintritt. Zusätzlich dient
der Klebstoff der Ausblendung von in den Faserüberzug
eingekoppelten Lichtanteilen, die als sogenannte Überzug-
Moden in der Lichtleitfaser-Technik wohlbekannt sind.
-
Wenn die Faser-Linsen-Isolation einmal genau eingestellt
worden ist, wie später beschrieben wird, wird das
Kapillarrohr 56 mittels eines Epoxidharz-Klebstoffs 62 am
Block 58 angeklebt.
-
Während wie erwähnt die Linsenhalterung 20 in der Zelle
50 bei 24 eine Strahl-Einschnürung erzeugt, würde die
Linsenhalterung 32 eine weiter entfernte
Strahl-Einschnürung
hervorrufen, falls in sie Laserlicht eintreten
würde, wie durch die Strichlinien 54 angezeigt ist.
-
In den Fig. 3 und 4, in denen obenerwähnte Teile mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, sind eine
Schnitt-Seitenansicht und eine skizzenhafte, schematische
Endansicht der Linsenhalterung 32 gezeigt. In Fig. 3 ist
die Linsenbefestigung 50 vor der Montage und vom Block 58
abgenommen dargestellt. Die Befestigung 50 und der Block
58 sind mittels Schraubbolzen 68 aneinander befestigt.
Die Abmessungen der Teile in den Fig. 3 und 4 sind in
Millimetern angegeben, obwohl die Zeichnungen nicht genau
maßstabsgetreu sind. Darüber hinaus ist das Kapillarrohr
56 mit einer mit dem Block 58 bündigen Oberfläche
gezeigt. Dies wird nach einer endgültigen Einstellung, die
später beschrieben wird, nicht mehr unbedingt der Fall
sein.
-
Die Fig. 5 und 6 erläutern schematisch die Fourier-
Tranformationseigenschaften einer Linse 70. Sie werden
hier beschrieben, um die in den Fig. 1 und 2 verwendete
optische Linsen-Faser-Kopplung zu verdeutlichen, welche
der Aufnahme von von der streuenden Flüssigkeit 26
gestreutem Licht in der Faser 34 dient. In Fig. 5
empfängt die Linse 70 Licht von einem Gegenstand 72, der auf
der optischen Achse 74 der Linse angeordnet ist. Das
Licht ist als Zerlegung in ebene Wellen wie etwa 76 und
78 gezeigt, die in vielen verschiedenen Winkeln zur
optischen Achse 74 geneigt sind und sich entlang dieser
Winkel ausbreiten. Die ebenen Wellen wie etwa diejenigen,
die durch eine gestrichelte Linie 80 angegeben sind und
zur Achse 74 in einem zu großen Winkel geneigt sind,
treffen nicht auf die Linse 70. Dadurch wird die Funktion
einer Linse als räumliches Tiefpaßfilter erklärt. Sie
läßt nur Wellen von ausreichend geringer Neigung in bezug
auf ihre optische Achse hindurch, die daher entsprechend
niedrige räumlichen Frequenzen besitzen.
-
Die Linse 70 formt jede einfallende ebene Welle in einen
kleinen Fleck wie etwa 82 in ihrer Fourier-Ebene 84 um,
wobei jeder Fleck ein Airysches Beugungsscheibchen
darstellt. Das Fourier-Ebenen-Muster ist in Fig. 6
gezeigt. Es umfaßt eine Anordnung von Airyschen
Beugungsscheibchen wie etwa 90, die jeweils von Ringsystemen
umgeben sind, von denen vier Ringe erster Ordnung wie etwa
92 gezeigt sind. Die Größe eines jeden Scheibchens und
des Scheibchenabstandes werden durch den
Linsendurchmesser D (Beugungsblendengröße), deren Brennweite F und
durch die Lichtwellenlänge λ bestimmt. Der Abstand
beträgt λF/D. Erfindungsgemäß endet die aufnehmende oder
zweite Lichtleitfaser 34 in der Fourier-Ebene 84 und
nimmt Licht von einem einzelnen Airyschen
Beugungsscheibchen auf. Vorteilhafterweise nimmt die Faser das axiale
Airysche Beugungsscheibchen auf, das dem Licht
entspricht, welches auf die Linse 70 parallel zur optischen
Achse 74 fällt und sich entlang dieser Achse ausbreitet.
-
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß die
Genauigkeit der Kopplung der Faser 34 mit einem einzelnen
Airyschen Beugungsscheibchen nicht besonders kritisch
ist. Dies führt zu einer besonders leichten optischen
Einstellung, die später beschrieben wird. Dies rührt
daher, daß eine Einmoden-Lichtleitfaser nur eine einzige
räumliche Mode des Lichts überträgt, welche durch die
HE&sub1;&sub1;-Mode in Form einer entlang der Faserachse sich
ausbreitenden ebenen Welle gegeben ist. Andere Moden, die
auf das Faserende einfallen, werden bei ihrer Übertragung
gedämpft. Sie werden an den Faserüberzug geleitet, wo sie
leicht durch bekannte Mittel wie etwa den Klebstoff 60 in
den Fig. 2 und 3 beseitigt werden können. Eine Einmoden-
Lichtleitfaser, die in der Fourier-Ebene einer
lichtaufnehmenden Linse endet, wirkt daher als räumliches Filter,
das jegliches Licht sperrt, das von dem in einem
bestimmten Winkel auf die Linse einfallenden, ursprünglichen
Licht verschieden ist. Es ist außerdem beim "Reinigen"
eines räumlich unreinen Laserstrahls sehr nützlich. Von
räumlichen Kohärenzfehlern im Laserstrahl wie etwa
Mischungen von TEM&sub0;&sub1; und TEM&sub0;&sub0; ist wohlbekannt, daß sie
dynamische Lichtstreuungsmessungen verschlechtern. Eine
Einmoden-Faser dämpft und filtert die unerwünschten Moden
höherer Ordnung heraus, die in dem Kohärenzbereich-Zugang
des Standes der Technik unerwünscht enthalten sind.
-
In Fig. 7, in der obenbeschriebenen Teile mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist ein
Streuflüssigkeitsvolumen 100 gezeigt, das eine ebene Welle 102
erzeugt, die sich entlang der optischen Achse 74 der
Linse 70 ausbreitet. Dadurch werden in der Fourier-Ebene
84 Airysche Beugungsscheibchen 104 erzeugt. Sämtliche
Streuer wie etwa 106, die Licht streuen, das parallel zur
optischen Achse 74 ist und auf die Linse 70 einfällt,
tragen zur ebenen Welle 102 und zum Airyschen
Beugungsscheibchen 104 bei. Die Beiträge verändern sich in
Abhängigkeit von der Faser, wie durch die Strichlinien,
etwa 108, in der Nähe einer durchgezogenen Linie 110
einer Durchschnittsphase angegeben ist. Diese
Phasenveränderung entsteht jedoch nur aufgrund von Wegunterschieden
entlang der optischen Achse 74 der Linse. Die Mischung
dieser Beiträge und die daraus folgende Interferenz an
dem Airyschen Beugungsscheibchen 104 erzeugt folglich
Intensitätsschwankungen, deren zeitlicher Maßstab durch die
longitudinale Kohärenz der Streuer im Volumen 100
festgelegt
ist. Diese Kohärenz ist genau das, was bestimmt
werden soll, weil die longitudinale Kohärenz per
definitionem die zeitliche Kohärenz oder Korrelationsfunktion ist.
Folglich liefert die Beobachtung der
Intensitätsschwankungen im Airyschen Beugungsscheibchen der Komponente der
nullten räumlichen Frequenz (axiale ebene Welle) des
gestreuten Lichts genau die zeitliche Korrelationsfunktion
der Streuer, wie dies für dynamische
Lichtstreuungsmessungen gefordert ist. Ferner tragen sämtliche Streuer im
Streuvolumen zur axialen ebenen Welle bei, so daß eine
sehr große Anzahl von Streuern abgetastet werden kann.
Alternativ kann ein sehr großes Volumen mit
vergleichsweise wenig Streuern beobachtet werden.
-
Obwohl es vorteilhaft und optisch höchst wirksam ist, die
Komponente der nullten räumlichen Frequenz des gestreuten
Lichtes zu erfassen, ist dies nicht wesentlich. Wenn ein
weiteres Airysches Beugungsscheibchen mit der
Lichtleitfaser gekoppelt wird, entspricht dies lediglich einer
anderen "Blickrichtung" oder einem "Winkelfehler" der
Linse, so daß ähnliche Bemerkungen Anwendung finden.
Selbstverständlich ist die Beobachtung eines anderen
Streuvektors enthalten.
-
Um aus den raumzeitlichen Eigenschaften eines einzigen
Airyschen Beugungsscheibchens den größten Nutzen zu
ziehen, ist es wünschenswert, Licht so vollständig wie
möglich in die aufnehmende Faser zu leiten. Hierzu sollte
der Durchmesser des Airyschen Beugungsscheibchens gleich
dem 1,85fachen des Durchmessers des Faserkerns sein
(siehe Optica Acta, Bd. 26, S. 91, 1979, Barrell und
Pask). Der Durchmesser des Airyschen Beugungsscheibchens
beträgt 2,44 λF/D, wobei λ die Lichtwellenlänge und F und
D die Brennweite der Linse bzw. ihr Durchmesser sind.
-
Dieses Kriterium ist äquivalent zu dem Durchmesser des
Airyschen Beugungsscheibchens, der zwischen Punkten der
e&supmin;²-fachen maximalen Intensität gemessen wurde und gleich
dem 1,1fachen Durchmesser des Faserkerns ist; siehe
Optical Fibre Telecommunications, Academic Press 1979.
Die Erfüllung dieses Kriteriums führt zu der Anpassung
der numerischen Apertur der Faser und der Linse. Es ist
jedoch ein Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung,
daß eine etwas unkorrekte Anpassung nicht erheblich ist.
Wenn die numerische Apertur der Faser kleiner als ein
Airysches Beugungsscheibchen ist, ergibt sich ein
Leistungsverlust, Messungen können jedoch noch immer
ausgeführt werden. Wenn das Gegenteil der Fall ist, kann die
Faser mehr als ein Airysches Beugungsscheibchen
aufnehmen. Da jedoch die Faser nur eine räumliche Mode
überträgt, hat sich herausgestellt, daß die Neigung besteht,
daß nur ein Airysches Beugungsscheibchen übertragen und
jedes weitere gedämpft wird. Einmoden-Fasern kompensieren
folglich die Aufnahme von mehr als einer räumlichen Mode.
-
Nun wird erneut auf Fig. 5 Bezug genommen, um aus Gründen
des Vergleichs die Anordnung der optischen Komponenten
des typischen Standes der Technik zu erläutern. Anstatt
einer Auswahl von Airyschen Beugungsscheibchen verwendet
ein typisches System des Standes der Technik einen
optischen Spalt 86 in der Bildebene und ein Stiftloch
oder eine optische Kohärenzblende 88 hinter dem Spalt.
Die Linse 70 erzeugt ein reelles Bild des Streuvolumens
am Spalt 86, welcher folglich das Streuvolumen begrenzt,
von dem Licht empfangen wird. Die Kohärenzblende 88
beschränkt in großem Ausmaß die Anzahl der Streuer, von
denen Licht empfangen wird. Dadurch werden die
statistischen Eigenschaften des getreuten Lichts verschlechtert.
-
In Fig. 8 sind zwei Auftragungen 120 und 122 von [g(2)(τ)
- 1] gegen die Kanalnummer (die zur Verzögerungszeit τ
äquivalent ist) gezeigt. Die obere Auftragung 120 wurde
unter Verwendung der Einrichtung der Erfindung erhalten,
die mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Die
untere Auftragung wurde unter Verwendung einer
herkömmlichen Anlage, für die sehr viel Sorgfalt aufgewendet
wurde, erhalten. In diesen beiden Experimenten wurde die
gleiche Probe von in Wasser suspendierten
Polystyrol-Kugeln (Durchmesser: 0,269 um) verwendet. Darüber hinaus
wurden identische Laser-Anlagen, identische Detektoren
und identische Detektorausgangsverarbeitungen verwendet.
Die herkömmliche Anlage lieferte einen Erfassungswert für
[g(2)(τ) - 1] bei τ = 0 oder bei der nullten Kanalnummer
von 0,64. Die Anlage für die erfindungsgemäße Einrichtung
ergab 0,97, was eine Verbesserung von mehr als 50%
darstellt. Darüber hinaus beträgt die Verbesserung bei
einem typischen Wert des Standes der Technik von 0,4 bei
Verwendung von durchschnittlichen Sorgfaltsstandards mehr
als 140%.
-
Im folgenden wird bei erneuter Bezugnahme auf die Fig. 2
und 3 der genaue Aufbau und das genaue Vorgehen bei der
Montage einer Linsenhalterung 32 erläutert. In einer
Ausführungsform der Erfindung besaß das Kapillarrohr 56
einen Innendurchmesser von 0,15 mm. Die Faser 34 besaß nach
der Beseitigung der Polymer-Ummantelung einen Außen- oder
Überzugsdurchmesser von 0,12 mm. Die Linse 30 besaß einen
Durchmesser von 3,0 ± 0,2 mm und eine Brennweite von 1,6
mm. Die Kapillare 56 besaß einen Durchmesser, der um 0,1
mm geringer als derjenige des Lochs im Block 58 ist, so
daß sich ein durchschnittlicher radialer Zwischenabstand
von 0,05 mm ergibt. Im Ergebnis kann die End- oder
Stirnfläche der Faser 34 im schlechtesten Fall zur
optischen Achse der Linse um 0,265 mm falsch ausgerichtet
sein. Dies entspricht einer Winkelabweichung aus der
optischen Achse von 9,4º, was unannehmbar groß ist. Die
Abweichung wird auf annehmbare Grenzen verringert, indem
die Linsenbefestigung 50 quer zur optischen Achse der
Linse relativ zum Block bewegt wird.
-
Für die Montage der Linsenhalterung 32 und der
zugehörigen Komponenten wird zunächst die Einmoden-Lichtleitfaser
34 in Schwefelsäure eingetaucht, um ihre
Polymer-Ummantelung auf ungefähr 60 mm ihrer Länge in der Nähe ihres
freien Endes zu beseitigen. Der freigelegte Faserüberzug
wird anschließend in Wasser gereinigt und in der Nähe des
freien Endes leicht eingeritzt, wobei die Faser unter
einer von Hand angelegten axialen Spannung gehalten wird.
Dieses Vorgehen erzeugt normalerweise eine rechteckig
zugeschnittene, saubere Stirnfläche. Die Faser kann unter
Verwendung eines diamantenbestückten Hand-Anreißers oder
eines Glasschneiders eingeritzt oder angerissen werden.
-
Anschließend wird die Faser 34 in die Kapillare 56
geschraubt, so daß aus dem gegenüberliegenden Ende der
Kapillare ungefähr 1 mm hervorsteht. Ungefähr 25 mm der
nicht ummantelten Faser erstrecken sich aus dem anderen
Kapillarende, bevor die Polymer-Ummantelung beginnt.
Dieser nicht ummantelte Faserbereich wird mit einem
flexiblen Klebstoff 60 überzogen, der dem mechanischen Halt,
der Beanspruchungsentlastung und dem Aussondern der
optischen Moden im Überzug dient, wie bereits erwähnt
worden ist. Die mit der Faser gefüllte Kapillare 56 wird
dann in den Messingblock 58 eingesetzt und an einem
(nicht gezeigten) Tisch mit Mikrometerantrieb
festgeklemmt, wobei der Block 58 unabhängig unterstützt ist, so
daß die Mikrometer-Einstellung zu einer Bewegung der
Kapillare mittels des Blocks führt.
-
Dann wird die Linse 30 sorgfältig gereinigt und an ihrer
Linsenbefestigung 50 angeklebt, wobei genau darauf
geachtet wird, daß der Klebstoff nicht die Mittelbereiche
der Linsenoberflächen verschmutzt. Die Befestigung 50
wird anschließend mittels der Schrauben 68 mit dem Block
58 montiert, wobei die Schrauben mit den Fingern
angezogen werden, wodurch eine Verschiebung der Befestigung 50
auf dem Block möglich ist.
-
Zur axialen Ausrichtung der Faser 34 mit der Linse 30
wird Laserlicht in das entfernte Ende der Faser geleitet,
wobei die Richtung des austretenden Lichtstrahls
beobachtet wird. Dann wird die Linsenbefestigung 50 durch eine
Verschiebungsbewegung am Block 58 so lange eingestellt,
bis der austretende Laserstrahl zur optischen Achse der
Linse 30 koaxial ist. Dann werden die Schrauben 68 fest
angezogen.
-
Anschließend wird die Trennung der Faser gegenüber der
Linse mittels einer Mikrometer-Bewegung eingestellt. Das
obige Einstellverfahren hat sich der Einfachheit halber
auf die Linsenhalterung 32 bezogen, obwohl die genau
gleichen Anmerkungen auch für die Linsenhalterung 20
gelten. Es besteht jedoch zwischen den
Linsen-/Faser-Isolationen in den beiden Fällen ein wichtiger Unterschied.
Die Linsenhalterung 20 stellt die lichtemittierende
Einrichtung dar, wobei das Kriterium für die
Linsen/Faser-Isolation einfach darin besteht, daß die
Laserstrahl-Einschnürung in einem geeigneten Abstand, etwa 5
cm, von der Linse 22 ausgebildet ist. Der tatsächliche
Abstand hängt von der Geometrie des verwendeten
Streuvolumens
ab. Es ist in der Tat nicht wesentlich, den Laser
auf eine Strahl-Einschnürung zu fokussieren, für die
meisten Fälle ist es jedoch wünschenswert, dies zu tun, um
die Laserstrahlrichtung und folglich auch den
Lichtstreuungsvektor genau zu definieren.
-
Die position der Strahl-Einschnürung wird durch
Ausrichten des Laserstrahls auf eine an der gewünschten Position
der Strahl-Einschnürung angeordnete Mattscheibe
eingestellt. Dann wird das Mikrometer eingestellt, um die
Kapillare und die Faser relativ zur Linse 22 so lange zu
bewegen, bis das Laserfleck-Muster "siedet", wie der
Fachausdruck lautet. Wenn sich die Laser-Einschnürung
nicht auf der Scheibe befindet, wird bei einer Bewegung
der Scheibe das Fleckmuster zur Seite verschoben. Wenn
der Fleck-"Siede"-Zustand beobachtet wird, befindet sich
die Strahl-Einschnürung an der richtigen position, so daß
ein Epoxidharz-Klebstoff 62 die Kapillar-Block-Einheit
fixiert. Die Faser-Stirnfläche befindet sich nun in bezug
auf die Position der Strahl-Einschnürung in der Bildebene
der Linse 22, wobei die Linsen-/Faser-Isolation größer
als die Brennweite der Linse ist.
-
Die zweite Linsenhalterung 32 ist auf sehr ähnliche Weise
wie die obenbeschriebene Linsenhalterung aufgebaut und
montiert. Der einzige Unterschied besteht darin, daß sich
die angerissene Stirnfläche der zweiten Faser 34 in der
Fourier-Ebene der Linse 30 oder in deren Nähe befinden
soll, d.h., daß von der Linsen-/Faser-Isolation gefordert
wird, daß sie im wesentlichen gleich der Brennweite der
Linse ist. Unter der Voraussetzung, daß die Fourier-Ebene
der Linse 30 von deren Bildebene in bezug auf die von der
ersten Linse 22 erzeugte Laserstrahl-Einschnürung
wirklich isoliert ist, ist der Grad der Genauigkeit der
Positionierung der Stirnfläche der zweiten Faser nicht
sehr kritisch. Die Forderung lautet, daß die zweite
Faser, wie erwähnt worden ist, Licht von einem Airyschen
Beugungsscheibchen oder einer räumlichen Mode aufnimmt,
daß die Faser jedoch andere Moden dämpft. Aus Fig. 5 ist
ersichtlich, daß dadurch für die Position der Fourier-
Ebene in beiden Richtungen ein bestimmter Wert für die
Positionierungstoleranz zulässig ist. Die Positionierung
sollte ausreichend nahe an der Fourier-Ebene stattfinden,
um diese Forderung zu erfüllen.
-
In der Praxis geht die Einstellung der aufnehmenden Faser
wie oben beschrieben vonstatten, mit der Ausnahme, daß
die Faser 34 relativ zur Linse 30 eingestellt wird, so
daß die Laserstrahl-Einschnürung in einem erheblich
größeren Abstand von der Linse als die entsprechende
Einschnürung der ersten Linse 22 beobachtet wird. Eigentlich
sollte sich die Strahl-Einschnürung im Unendlichen
befinden, dies ist jedoch nicht kritisch. Dann wird der
zur Einstellung verwendete Laser entfernt, wobei die
zweite oder aufnehmende Linsenhalterung 32 bereit ist für
die Befestigung im gleichen Abstand von der in einem
Streuvolumen befindlichen Strahl-Einschnürung wie die
erste Linsenhalterung 20.
-
Es ist wichtig, Staubteilchen auf den Oberflächen der
Linsen und auf den Stirnflächen der Lichtleitfasern zu
vermeiden. Hinsichtlich der Stirnflächen und der
Linsenoberflächen in den Linsenhalterungen kann dies unter
Verwendung von Reinraum-Montagetechniken erzielt werden.
Abgesehen davon ist der Montagevorgang etwas komplexer als
der Vorgang, der bei der Montage von elektronischen
Präzisionskabelanschlüssen notwendig ist, und für die
Massenproduktion gut geeignet. Wenn eine Linsenhalterung
einmal montiert ist, sind die inneren optischen
Oberflächen nicht der Atmosphäre ausgesetzt und können nicht mit
Staub verunreinigt werden. Wie in der Optik wohlbekannt
ist, gibt eine Staubverunreinigung Anlaß zu falschen
Beugungsmustern, die insbesondere bei der dynamischen
Lichtstreuung ungenaue oder falsche Messungen
hervorbringen.
-
Die Einmoden-Lichtleitfasern 18 und 34 können entweder
polarisierend oder polarisationserhaltend sein. Diese
übertragen einen bzw. zwei zueinander ortogonale
Polarisationszustände. Um in der aufnehmenden Faser 34 die
maximale Lichtintensität zu erzielen, ist es vorteilhaft,
die Kapillarträgerblöcke für beide Fasern mit einer
Polarisationsrichtung zu markieren. Bei der Einstellung
einer Linsenhalterung wird dann die Kapillare gedreht,
während der austretende Laserstrahl durch einen
Polarisator beobachtet wird. Dann wird die Kapillare in einer
Position gehalten, in der die Strahl-Polarisation parallel
zur betreffenden Markierung ist.
-
In den Fig. 9, 10 und 11 sind schematische Zeichnungen
von einer oder mehreren aufnehmenden Fasern gezeigt, die
über Fourier-Ebenen von Linsen mit
Laserstrahl-Einschnürungen gekoppelt sind. Diese Zeichnungen erläutern
die Flexibilität bei der Verwendung der Einrichtung der
Erfindung. Fig. 9 (die um der Vollständigkeit und des
Vergleichs willen enthalten ist) zeigt die Grundanordnung
einer einzelnen aufnehmenden Faser 140, die über eine
Linse 142 von einer Laserstrahl-Einschnürung 144 Licht
empfängt. In Fig. 10 überwachen zwei aufnehmende Fasern
146 und 148 mit Linsen 150 bzw. 152 eine
Strahl-Einschnürung 154. In Fig. 11 überwachen eine Reihenanordnung
von aufnehmenden Fasern und Linsen wie etwa 156 und 158
das von einer Strahl-Einschnürung 160 in verschiedenen
Streuwinkeln gestreute Licht. Aus Fig. 3 ist ersichtlich,
daß die Gesamtlänge einer Linsenhalterung einschließlich
des Klebstoff-"Schwanzes" 60 53 mm oder ohne diesen 28 mm
beträgt. Außerdem besitzen die Block-/Befestigungs-
Kombinationen Höhen- und Breitenabmessungen von 15 mm x 7
mm. In einer Anordnung wie etwa in Fig. 11 sind die
Höhenabmessungen parallel, wie ein Vergleich mit Fig. 2
ergibt. Es ist daher sehr naheliegend, eine Anzahl von in
Winkelrichtung in einem Abstand befindlichen
Linsenhalterungen in wenigen Zentimetern eines Streuvolumens
aufzunehmen. Dies erläutert die starke Verringerung der
Abmessungen oder die Miniaturisierung, wie sie durch die
Erfindung geschaffen wird. Systeme des Standes der
Technik, die zu Fig. 11 äquivalent sind, würden die Größe
von einem Kubikmeter annehmen, während das
erfindungsgemäße Äquivalent in der Größenordnung von 20 cm³ liegt,
was eine Verbesserung von mehr als zwei Größenordnungen
bedeutet.
-
In den Fig. 12, 13 und 14 sind schematische Zeichnungen
gezeigt, die die Verwendung der Erfindung für homodyne
oder Lichtschwebungs-Messungen erläutert. In diesen
Zeichnungen sind Linsenhalterungen, die äquivalent zu 20
und 32 sind, nicht gezeigt, um die Darstellung zu
vereinfachen. In Fig. 12 verläuft das Licht von einem Laser 170
über eine Übertragungslinse 172 zu einer Einmoden-Faser
174 und dann zu einem optischen Einmoden-Faser-Koppler
176. Hier wird das Licht zum Teil mit einer Ausgangsfaser
178 gekoppelt und verläuft an eine Strahl-Einschnürung
180. Das Licht wird außerdem teilweise als
Überlagerungsoszillator mit einer dritten Faser 182 gekoppelt,
von der es sich an einen zweiten Koppler 184 für die
Mischung mit Licht von einer aufnehmenden Faser 186, die
das gestreute Licht überwacht, bewegt. Ein Detektor 188
überwacht das vom zweiten Koppler 184 ausgegebene,
gemischte Licht.
-
Fig. 13 zeigt eine Erweiterung der Anordnung von Fig. 12
auf zwei Streuwinkel in einer einzigen Probe, wobei
entsprechende aufnehmende Fasern 190 und 192 verwendet
werden. Die neben der weiteren aufnehmenden Faser
erforderliche zusätzliche Einrichtung umfaßt zwei zusätzliche
Einmoden-Koppler 194 und 196; ein weiterer Koppler 194
ist notwendig, um den Strahl des Überlagerungsoszillators
zu teilen, während der andere Koppler 196 notwendig ist,
um das Signal der zweiten aufnehmenden Faser zu mischen.
Ein zusätzlicher Detektor 198 überwacht den Ausgang des
Kopplers 196.
-
Fig. 14 erläutert die Verwendung der Erfindung in
Verbindung mit zwei verschiedenen Streuvolumina. Sie
unterscheidet sich von Fig. 13 dadurch, daß sie einen weiteren
Einmoden-Koppler 200 enthält, der Licht auf eine zweite
Strahl-Einschnürung 202 in einer anderen Probe richtet,
und daß aufnehmende Fasern 204 und 206 das Licht von den
verschiedenen Einschnürungen sammeln.
-
Die Anordnungen der Fig. 13 und 14 erstrecken sich
selbstverständlich auf eine größere Anzahl von
Streuwinkeln und Proben. Die Verwendung von
Einmoden-Lichtleitfasern für homodyne oder heterodyne Messungen besitzt
gegenüber der obenbeschriebenen Einrichtung mit
Multimoden-Fasern von Auweter und Horn einen besonderen und sehr
wichtigen Vorteil. Das Licht breitet sich entlang des
Kerns einer Multimoden-Faser als ebene TEM&sub0;&sub0;-Welle aus,
deren Wellenfront zur Faserachse senkrecht ist. Die
Mischung in einem Einmoden-Koppler erzeugt die für
Lichtschwebungs-Messungen geforderte Idealbedingung,
welche durch die Überlagerung zweier Wellen mit derselben
räumlichen Mode oder Frequenz in derselben Ebene gegeben
ist. Dagegen breiten sich in Multimoden-Fasern Wellen in
mehreren Winkeln zur Faserachse aus. Die Mischung zweier
solcher Strahlen erzeugt eine Interferenz zwischen
verschiedenen Moden, die unvollkommen überlagert sind.
Ferner und sehr wichtig verändert die mechanische
Vibration der Multimoden-Fasern in Lichtschwebungs-Anordnungen
die Mischung unter den Moden. Mit anderen Worten
verändert sich die mit der Mode B in einem Schwebezustand
befindliche Mode A zu einer Mode C mit einer anderen
Amplitude. Selbstverständlich können komplexere
Änderungen auftreten. Das Ergebnis besteht darin, daß die
mechanische Störung der Multimoden-Fasern leicht
diskontinuierliche Änderungen in der Amplitude des
Schwebungssignals erzeugen kann, wodurch die Messungen wertlos
werden. Die Verwendung von Einmoden-Fasern für
Lichtschwebungs-Messungen entsprechend der Erfindung ist daher
grundsätzlich gegenüber mechanischen Störungen weniger
empfindlich als die Multimoden-Alternative des Standes
der Technik. Mehrproben-Messungen, wie in Fig. 14
erläutert, sind möglicherweise in der Medizinwissenschaft für
Messungen an biologischen Proben wie etwa Urin und ferner
in der Biotechnologie zur Überwachung von
Fermentierungsprozessen und dergleichen sehr wichtig. Eine herkömmliche
Anlage ist für Messungen dieser Art völlig ungeeignet.
-
In Fig. 15 ist eine vereinfachte Ausführungsform der
Erfindung gezeigt. Von einem Streuvolumen 210 wird
Laserlicht über ein Interferenzfilter 211, eine Blende 212 und
eine Linse 213 an eine Fourier-Ebenen-Blende 214
gestreut, die an ein Airysches Beugungsscheibchen der Linse
angepaßt ist. Ein Photodetektor 216 ist so ausgebildet,
daß er Licht von der Blende 214 empfängt. Der
Photodetektor 216 erfaßt daher eine einzelne räumliche Mode des
Lichts vom Streuvolumen 210, vorausgesetzt, daß die
Blende 214 nur Licht von einem einzelnen Airyschen
Beugungsscheibchen überträgt. Die Größe und die
Positionierung der Blende 214 sind daher kritischer als im Falle
der Verwendung einer Einmoden-Faser zur Umlenkung von
Licht, da die räumlichen Filterungseigenschaften einer
solchen Faser nicht genutzt werden. Der Detektor 216 und
die Blende 214 sollten koplanar sein, so daß sich das
Winkel-Beugungsspektrum von der Blende 214 nicht aufgrund
einer Divergenz darüber hinaus entwickeln kann.
-
In dem entstehenden Bereich der integrierten
Optoelektronik muß dies jedoch nicht notwendig eine ernsthafte
Einschränkung sein. Herkömmliche Gaslaser und Detektoren
mit Photoelektronenvervielfacher-Röhren werden derzeit
durch erheblich kleinere Halbleiterlaser und Detektoren
mit Lawinen-Photodioden ersetzt. Dadurch ist ein weiterer
Bereich für die Miniaturisierung der Komponenten und für
die Kostenverringerung gegeben.
-
In Fig. 16 ist schematisch eine Ausführungsform 220 der
Erfindung gezeigt, die für die Produktion mittels
integrierter Techniken geeignet ist. Ein Substrat 222 trägt
einen Halbleiterlaser 224 mit übereinandergeschichteten
Linsen 225 und einer Lawinen-Photodiode 226. Auf der
Photodiode 226 ist eine Blende 228 angebracht. Eine für die
Strahlung vom Laser 224 durchlässige Schicht 230 ist auf
der Blende 228 angebracht und trägt eine Linse 232. Die
Blende 228 befindet sich genau in der Fourier-Ebene der
Linse 232. Die Einrichtung 220 wird in Verbindung mit
einer Probenzelle 234 verwendet, von der eine Wand als
Prisma 236 ausgebildet ist. Diese reflektiert das
Laserlicht
238 entlang einem Weg 240, wobei Licht in der
Richtung 242 um 90º gestreut wird. Die Einrichtung 220
kann mit der Zelle 234 verklebt oder in diese
eingekapselt sein.
-
Wenn die Photodiode 226 einen lichtempfindlichen
Oberflächenbereich besitzt, der gleich oder kleiner als ein
Airysches Beugungsscheibchen ist, ist die Blende 228
unnötig. Darüber hinaus kann das Prisma 236 bei
Lichtmessungen in der Nähe von 180º (Rückstreuung) weggelassen
werden.
-
Die Einrichtung 220 kann mittels bekannter
lithographischer Techniken aufgebaut sein. Da die
Laser/Photodioden-Paare im allgemeinen aus unähnlichen
Halbleitermaterialien bestehen, kann das Substrat 222
zusätzliche Schichten erforderlich machen, um das Aufwachsen
von verschiedenen Materialien auf verschiedenen
Oberflächenbereichen zu ermöglichen. Dies ist jedoch eine
bekannte Technologie und wird nicht beschrieben. Die
Linsen 225 und 232 können durch selektives Ätzen eines
Halbleitermaterials mit ausreichend breitem Energieband-
Abstand erzeugt werden, wie beispielsweise im britischen
Patent mit der Anmeldungsnummer 8511064 beschrieben ist.
-
Die Einrichtung 220 erfordert lediglich (nicht gezeigte)
elektrische Verbindungen für die Lieferung von
elektrischem Strom an den Laser 224, zum Anlegen einer
Vorspannung an die Photodiode 226 und für die Ausgabe von
Photonen-Erfassungsimpulsen von der Photodiode 226.
Einige (jedoch nicht alle) herkömmlichen
Lawinen-Photodioden erfordern Vorspannungen von mehr als 200 V, was für
die Vorgaben des Designs von integrierten Schaltungen
ungünstig hoch sein kann. Wenn Betrachtungen hinsichtlich
der Erfassung die Verwendung einer
Hochspannungs-Photodiode rechtfertigen, kann die integrierte Photodiode 226
durch einen integrierten optischen Wellenleiter ersetzt
werden, der mit einer Einmoden-Lichtleitfaser gekoppelt
ist. Die Faser würde Licht an eine entfernte,
herkömmliche Photodiode übertragen, wie oben beschrieben worden
ist.
-
Die Einrichtung 220 besitzt den Vorteil, daß sie in den
Herstellungsbereich der Produktionstechniken von
integrierten Schaltungen fällt. Diese Techniken können leicht
die geforderte Genauigkeit bei der optischen Ausrichtung
erzielen und bieten ein möglicherweise billiges
Produktionsverfahren. Darüber hinaus kann die Einrichtung 220 in
einer geeigneten Form aufgebaut sein, um sie in eine
Flüssigkeit zu tauchen. Dies erfordert lediglich, daß die
Einrichtung in gekapselter Form aufgebaut ist, wobei es
der streuenden Flüssigkeit ermöglicht wird, mit dem
Inneren der Zelle 234 zu kommunizieren. Die Verwendung
einer solchen Zelle ist nicht wesentlich, da sie
lediglich das Streuvolumen festlegt. Einige Anwendungen der
Erfindung können einen optischen Kopf mit zwei
gegenseitig geneigten Wänden verwenden, wobei das Licht aus einer
Wand austritt und zur anderen gestreut wird und der durch
die Wände teilweise begrenzte Bereich auf andere Weise
eingeschlossen ist. Darüber hinaus ist bei
Rückstreuungsmessungen nur eine einzige Wand erforderlich.
-
Die Einkapselung der Einrichtung 220 und die
obenbeschriebenen Abwandlungen hiervon schaffen den Vorteil
einer hochgradigen Unempfindlichkeit gegenüber
Staubteilchen, die Messungen ungenau oder wertlos machen. Eine
eingekapselte Einrichtung, die unter Reinraum-Bedingungen
montiert wurde, kann lediglich durch eine
Staubverschmutzung
an den Wänden der Zelle 234 oder an einem
entsprechenden Äquivalent bei Einrichtungen, die keine
vollständig eingeschlossene Zelle verwenden, störend beeinflußt
werden. Herkömmliche optische Systeme besitzen mehrere
Oberflächen, die sämtlich äußerst rein gehalten werden
müssen.
-
In Fig. 17 ist eine Ausführungsform der Erfindung
gezeigt, die allgemein mit 250 bezeichnet ist und für eine
Laser-Doppler-Differenzvelocimetrie geeignet ist. Der
Geschwindigkeitsmesser 250 umfaßt einen Laser 252, der eine
Ausgabe 254 erzeugt, die durch einen Strahlteiler 260 in
zwei Strahlen 256 und 258 unterteilt wird. Die Strahlen
256 und 258 verlaufen durch einen Phasenmodulator 262.
Zwei Spiegel 264 schaffen eine relative
Strahlverschiebung, die ausreicht, um die Strahlen durch
Mikroskopobjektive 270 und 272 in getrennte Fasern 266 bzw. 268
einzuleiten. Die Fasern 266 und 268 enden in
Linsenhalterungen 274 bzw. 276, die oben mit Bezug auf die Fig. 2 und 3
beschrieben worden sind. Die Linsenhalterungen erzeugen
bei 278 in einer durch einen Pfeil 280 bezeichneten
Gasströmung überlagerte Strahl-Einschnürungen, wobei zwei
weitere Pfeile 282 und 284 die Strahlrichtungen angeben.
Eine Aufnahme-Linsenhalterung 286 sammelt vom
Streuvolumen 278 gestreutes Licht 287 für die nachfolgende
Photoerfassung, die Korrelation und die numerische
Computeranalyse bei 290, 292 bzw. 294. Eine Turbulenz in der
Gasströmung 280 wird durch die Überwachung der Schwankungen
in den Interferenzbildern, welche durch bei 278
interferierende Strahlen erzeugt werden, untersucht. Die
Prinzipien der Laser-Doppler-Velocimetrie sind wohlbekannt und
müssen nicht weiter beschrieben werden.
-
Wenn es erforderlich ist, verschiedene räumliche
Lichtstreuungsmoden gleichzeitig zu untersuchen und
möglicherweise miteinander zu korrelieren, können ein Einmoden-
Lichtleitfaser-Bündel und Linsen verwendet werden. Das
Bündel ist so beschaffen, daß sich die Stirnfläche einer
jeden Faser in der Fourier-Ebene der Linse befindet,
wobei jede Faser ein entsprechendes Airysches
Beugungsscheibchen überträgt. Dann wird der Ausgang einer jeden
Faser getrennt überwacht.
-
Bisher ist die Verwendung von herkömmlichen, jedoch
miniaturisierten Linsen für den Zweck der Erzeugung einer
räumlichen Fourier-Transformierten des gestreuten Lichts
beschrieben worden. Allgemeiner kann irgendeine optische
Einrichtung verwendet werden, vorausgesetzt, daß einzelne
Airysche Beugungsscheibchen erzeugt werden, aus denen
eine räumliche Mode isoliert werden kann. Der
Isolationsvorgang kann ein räumliches Filtern mit einer Einmoden-
Lichtleitfaser erfordern. Es gibt jedoch Alternativen zu
herkömmlichen Linsen. Diese enthalten
Brechungsindex-Gradientenlinsen von zylindrischer Form, in denen der
Brechungsindex vom Maximum auf der Zylinderachse zum
Minimum auf der gekrümmten Oberfläche abnimmt. Eine
Vielzahl von im Handel erhältlichen Index-Gradientenlinsen
verwenden eine röhrenförmige Linsenbefestigung, in der
die Linse koaxial angeordnet ist. Dieser Linsentyp ist
insbesondere vorteilhaft für die kombinierte Verwendung
mit Einmoden-Fasern, da der Innendurchmesser des Rohrs an
den Durchmesser des Faserüberzugs angepaßt ist. Die Faser
wird einfach entlang des Rohrs verschoben, bis sich ihre
Stirnfläche oder ihr Ende im richtigen Abstand von der
Linse befindet.
-
Eine weitere alternative, bekannte Fokussierungs- oder
Fourier-Transformationseinrichtung umfaßt die Verjüngung
des Endes einer Einmoden-Lichtleitfaser auf einen
scharfen Punkt, dessen Abmessungen viel kleiner als diejenigen
des Faserkerns sind. Der Punkt sollte sich auf oder in
der Nähe der Achse des Kerns befinden. Dadurch werden
Fokussierungseigenschaften erzeugt, die ähnlich denjenigen
einer Linse sind. Momentan ist es schwierig, die
Brennweite genau zu steuern, außerdem ist es notwendig, die
verjüngten Fasern mit den richtigen optischen
Eigenschaften aus der vorbereiteten Fertigungsreihe auszuwählen.
-
Die Situation könnte sich in Zukunft verbessern. Es ist
jedoch möglich, Einmoden-Lichtleitfasern mit konischem
Ende und ohne andere Fokussierungseinrichtungen sowohl
für die Beleuchtung des streuenden Fluids als auch für
die Einsammlung der gestreuten Strahlung zu verwenden.
-
Die Erfindung kann auch holographische
Fokussierungseinrichtungen von bekannter Art verwenden, um das Fluid zu
beleuchten und um aus dem gestreuten Licht räumliche
Moden auzuwählen. Obwohl lichtdurchlassende Optiken
beschrieben worden sind, können darüber hinaus auch deren
lichtreflektierende Äquivalente verwendet werden.