DE4122925A1 - Optisches spektrometer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer mit
einer an wenigstens einen Lichtwellenleiter angekop
pelten Beleuchtungseinrichtung zur Anstrahlung eines in
einem Meßprobenraum enthaltenen spektroskopisch zu
untersuchenden Stoffes, mit einer Monochromatoreinrich
tung und mit einer Detektoranordnung.
Ein derartiges Spektrometer ist beispielsweise aus der
DE-PS 34 03 372 der Anmelderin bekannt und verfügt über
eine als dispergierendes Element ein Prisma enthaltende
Monochromatoreinrichtung. Bei üblichen Spektrometern
und insbesondere dem aus der genannten Patentschrift
bekannten Spektrometer ist ein Wechsel der Wellenlänge
mit mechanischen Veränderungen oder Justierungen ver
bunden. Diese nehmen eine verhältnismäßig lange Zeit in
Anspruch, so daß die bekannten Spektrometer einen
schnellen Wellenlängenwechsel nicht erlauben. Ein
weiterer Nachteil der bekannten Spektrometer besteht
darin; daß diese einen großen Platzbedarf haben und
sich somit nicht für Miniatur-Analysegeräte eignen.
Im Journal of Lightwave Technology, Volume 6, No. 6,
June 1988, Seite 903 bis 908 ist unter dem Titel
"Collinear Acoustooptical TM-TE Mode Conversion in
Proton Exchanged Ti : LiNbO3 Waveguide Structures" ein
Effekt beschrieben, der es gestattet, elektronisch
durchstimmbare Filter aufzubauen. In Electronics Let
ters, 9th November 1989, Vol. 25, No. 23, Seiten 1583
bis 1584 ist unter dem Titel "Integrated Opticcal,
Acoustically Tunable Wavelength Filter" ein elektro
nisch schnell durchstimmbares Wellenlängenfilter be
schrieben. Eine Verwendung eines solchen Filters in
einem Spektrometer scheitert zunächst daran, daß die
durchstimmbare Bandbreite von nur etwa 100 Nanometer zu
klein ist.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches
Spektrometer zu schaffen, das sich besonders klein
aufbauen läßt und einen schnellen Wechsel von Wellen
längen zuläßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Monochromatoreinrichtung durch wenigstens ein
integriert-optisches akustisch-steuerbares Wellen
längenfilter gebildet ist, dessen Ausgangslicht nach
einer Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Stoff
die Detektoranordnung beaufschlagt.
Dadurch, daß die Monochromatoreinrichtung nicht mehr
als Gitter oder als Prisma ausgebildet ist, kann ein
Wellenlängenwechsel schnell und einfach durch Verändern
der Steuerfrequenz des verwendeten Wellenlängenfilters
erfolgen.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfol
genden Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische perspektivische
Ansicht eines erfindungsgemäßen
Spektrometers,
Fig. 2 einen mikrooptischen Chip für ein
erfindungsgemäßes Spektrometer,
bei dem der zu untersuchende Stoff
über optische Fasern mit Licht
beaufschlagt wird,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines be
sonders kurzen mikrooptischen
Chips für ein Spektrometer gemäß
der Erfindung,
Fig. 4 einen Teil eines Spektrometers
gemäß der Erfindung für eine Mes
sung sowohl in Transmission als
auch in Reflexion und
Fig. 5 einen Teil eines Spektrometers
gemäß der Erfindung mit einer
schräg zum Strahlengang angeord
neten Mikroküvette und einer De
tektoranordnung zur Bildung von
Referenzsignalen.
In Fig. 1 erkennt man in perspektivischer Ansicht eine
schematisierte Darstellung eines ersten Ausführungs
beispiels für ein elektronisch steuerbares miniaturi
siertes optisches Spektrometer für den sichtbaren und
nahen Infrarotbereich. Das Spektrometer verfügt über
ein Siliziumsubstrat 1 mit einer Länge von bei
spielsweise 10 bis 12 Zentimetern, einer Breite von 1
bis 2 Zentimetern und einer Dicke von 0,5 Zentimetern.
Das Siliziumsubstrat 1 ist anisotrop geätzt und verfügt
über eine erste Ausnehmung 2 zur Aufnahme eines XY-
LiNbO3-Substrates 3 (X-Schnitt, Y-Ausbreitung der Wel
len) sowie über eine zweite Ausnehmung 4 zur Aufnahme
einer optischen Mikroküvette 5.
Wie man auf der linken Seite in Fig. 1 erkennt, sind im
Siliziumsubstrat 1 weiterhin mehrere parallelverlaufen
de V-Gruben 6, 7, 8, 9 und 10 zur Aufnahme von monomo
digen optischen Eingangsfasern 11, 12, 13, 14 und 15
vorgesehen. Weiterhin verfügt das Siliziumsubstrat 1
über fluchtend und gegenüberliegend zu den V-Gruben 6,
7, 8, 9 und 10 angeordnete Hohlräume 16, 17, 18 sowie
Lichtkanäle 19. Die Hohlräume 16, 17 und 18 enthalten
jeweils eine Mikrolinse 20, 21 und 22 mit einem Durch
messer von etwa 0,3 Millimetern und TM-Moden absor
bierende Polarisatoren 23, 24, und 25.
Das durch die Polarisatoren 23, 24 und 25 gelangende
Licht durchquert die Mikroküvette 5, die beispielsweise
1 Millimeter dick und 10 Millimeter lang ist, bevor es
über die Lichtkanäle 19 zu optischen Detektoren 26, 27
und 28 einer Detektoranordnung 29 gelangt. Die op
tischen Detektoren 26, 27 und 28 sind an eine in der
Zeichnung nicht dargestellte Auswerteelektronik ange
schlossen. Die Detektoranordnung kann wie in Fig. 1
dargestellt auf einem gesonderten Teil ausgebildet oder
direkt auf dem Siliziumsubstrat 1 vorgesehen sein. Die
Detektoren 26, 27 und 28 sind für einen Wellenlängenbe
reich von 0,7 bis 1,8 Mikrometer aus Germanium und für
einen Wellenlängenbereich von 0,45 bis 1,1 Mikrometer
aus Silizium hergestellt.
Statt einer Anordnung der optischen Detektoren 26, 27
und 28 unmittelbar hinter den Lichtkanälen 19 können
alternativ auch optische Fasern zur Lichtübertragung
von der Mikroküvette 5 zu der Detektoranordnung 29
vorgesehen sein.
Die Mikroküvette 5 enthält den durch das Spektrometer
zu untersuchenden gasförmigen oder flüssigen Stoff, der
über eine Eingangsleitung 30 zugeführt und über eine
Ausgangsleitung 31 mit Hilfe einer Siliziumpumpe 32
abgeführt wird. Die wellenlängenselektive Absorption
des in der Mikroküvette 5 enthaltenen Stoffes wird
durch Auswerten der Amplituden der Signale der Detek
toranordnung 29 unter Berücksichtigung der jeweils
zugeführten Wellenlänge des eingespeisten Lichtes er
halten.
Die Beleuchtungseinrichtung des Spektrometers besteht
aus mehreren lichtemittierenden Dioden 33, 34, 35, 36
und 37, die nachfolgend kurz als LED bezeichnet werden.
Jede der LEDs erzeugt über einen Spektralbereich von
etwa 100 bis 200 Nanometer ein unpolarisiertes Speise
licht, das direkt in die Speiseenden der monomodigen
optischen Eingangsfasern 11-15 eingekoppelt wird. Die
Anordnung kann dabei z. B. so getroffen sein, daß das
LED 33 Speiselicht im Bereich von 2 Mikrometern, das
LED 34 im Bereich von 1,4 Mikrometern, das LED 35 im
Bereich von 1,1 Mikrometern, das LED 36 im Bereich von
1 Mikrometer und das LED 37 im Bereich von 0,8 Mikrome
tern aussendet. Da eine LED in einem optischen Bereich
von über 100 Nanometern emittiert, kann mit z. B. fünf
LEDs ein durchgehender Spektralbereich von über 500
Nanometern abgedeckt werden.
Die in den V-Gruben 6-10 befestigten Eingangsfasern
11-15 haben beispielsweise einen Durchmesser von 120
Mikrometern und einen Kerndurchmesser von 2-3 Mikro
metern. Da alle Komponenten des beschriebenen Spektro
meters fest angeordnet sind, erübrigt sich eine opti
sche Nachjustierung beim Betrieb des Spektrometers.
Zweckmäßigerweise sind die Eingangsfasern 11-15 in
den V-Gruben 6-10 eingelegt und anschließend einge
gossen. Die optischen Eingangsfasern 11-15 erstrecken
sich bis zu der in Fig. 1 linken Seite der ersten Aus
nehmung 2.
Das aus den Eingangsfasern 11-15 austretende Speise
licht speist einen mehrfachen auf dem XY-LiNbO3-Sub
strat 3 aufgebauten integriert-optischen akustisch
steuerbaren Filter 38, der es gestattet, über jeden
seiner insgesamt fünf Kanäle jeweils nur Licht vorgege
bener elektronisch auswählbarer Wellenlängen durchzu
lassen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei
spiel ist ein mehrfaches integriert-optisches aku
stisch-steuerbares Filter 38, das nachfolgend kurz als
mehrfaches IOASF 38 bezeichnet wird, vorgesehen, das
über 5 optische Eingänge 39, 40, 41, 42 und 43 sowie
über drei optische Ausgänge 44, 45 und 46 verfügt. Das
mehrfache IOASF 38 besteht aus 3 integriert-optischen
akustisch-steuerbaren Filtern 47, 48, 49, die nachfol
gend kurz als IOASF bezeichnet sind.
Das IOASF 47 gestattet es, von dem verhältnismäßig
breitbandigen über dem optischen Eingang 39 eingespei
sten Licht der LED 33 nur Licht innerhalb eines wählba
ren engen Spektralbereichs von beispielsweise 2,8 Nano
meter durchzulassen.
Der Aufbau und die Funktion eines einzelnen IOASF ist
in dem Aufsatz "Integrated Optical, Acoustically Tuna
ble Wavelength Filter", Electronics Letters, 9th Novem
ber 1989, Vol. 25, No. 23, Seiten 1583-1584 beschrieben.
Die einzelnen IOASF 47, 48 und 49 des mehrfachen IOASF
38 sind auf dem XY-LiNbO3-Substrat 3 (X-Schnitt, Y-Aus
breitung der Wellen) aufgebaut. Statt eines X-Schnittes
ist es auch möglich ein Substrat mit einem Y-Schnitt zu
verwenden.
Die Filterwirkung der IOASF 47, 48 und 49 beruht auf
einer Wechselwirkung zwischen optischen und akustischen
Wellen, wobei eingespeiste TE-Moden in TM-Moden oder
TM-Moden in TE-Moden konvertiert werden. Die Wellenlän
ge der jeweils in die komplementäre Mode konvertierten
Lichtwellen ist abhängig von der Wellenlänge der je
weils wechselwirkenden akustischen Oberflächenwellen,
so daß durch Verändern der Frequenz der akustischen
Oberflächenwellen jeweils diejenige Lichtwellenlänge
bestimmt werden kann, bei der eine TE-TM-Modenkonver
sion erfolgt. Die nicht oder nicht vollständig konver
tierten Wellenlängen werden mit Hilfe von im Lichtweg
vorgesehenen Polarisatoren unterdrückt.
Das erste IOASF 47 des mehrfachen IOASF 38 verfügt über
einen sich zwischen dem optischen Eingang 39 und dem
optischen Ausgang 44 erstreckenden monomodigen opti
schen Streifenleiter 50, der durch Ti-Eindiffusion
erzeugt ist. Das den Streifenleiter 50 durchquerende
Licht durchquert zunächst einen in der Nähe des opti
schen Eingangs 39 vorgesehenen integriert-optischen
Polarisator 51, mit dessen Hilfe die TE-Mode des Ein
gangslichts herausgefiltert und die TM-Mode absorbiert
wird. Infolge der kollinearen akusto-optischen TE-TM-
Modenkonversion wird die vom Polarisator 51 durchgelas
sene TE-Mode entlang dem Streifenleiter 50 in eine TM-
Mode konvertiert. Die TM-Mode wird dann von einem zwei
ten integriert-optischen Polarisator 52 durchgelassen.
Auf der Strecke zwischen dem zweiten integriert-opti
schen Polarisator 52 bis zum optischen Ausgang 44 er
folgt eine zweite Konversion des Speiselichtes im
Streifenleiter 50, so daß für die erwünschte Wellenlän
ge am optischen Ausgang 44 eine TE-Mode vorliegt.
Der optische Ausgang 44 befindet sich im Brennpunkt der
Mikrolinse 20, die das doppelt konvertierte Speiselicht
kollimiert. Anschließend gelangt das Speiselicht über
den Polarisator 23, der das in eine TE-Mode konvertier
te Speiselicht durchläßt, zur Mikroküvette 5.
Die zur Modenkonversion im IOASF 47 verwendeten akusti
schen Oberflächenwellen werden mit Hilfe eines interdi
gitalen Wandlers 53 erzeugt, dessen fingerartig inein
andergreifende Elektroden zur Erzeugung akustischer
Oberflächenwellen mit einem in seiner Frequenz durch
stimmbaren Hochfrequenzsignal über in der Zeichnung
nicht dargestellte Leitungen beausschlagt werden. Die
zugeführte Hochfrequenz mit einer Spannung von etwa 1
Volt hat eine Frequenz im Bereich von 150-400 Mega
hertz und läßt sich jeweils über einige Megahertz zur
Abstimmung des durchstimmbaren Wellenlängenfilters oder
IOASF 47 verändern. In Abhängigkeit von der Speisefre
quenz des interdigitalen Wandlers 53 hat das über den
Polarisator 23 in die Mikroküvette 5 gelangende Speise
licht eine vorgegebene Lichtwellenlänge innerhalb des
von der LED 33 ausgesandten Wellenlängenbereichs. Er
folgt eine Speisung des Wandlers gleichzeitig mit
mehreren Frequenzen, erhält man entsprechend mehrere
durchgelassene Lichtwellenlängen oder enge Lichtwellen
bereiche.
In ähnlicher Weise gestatten es die IOASF 48 und 49 mit
den interdigitalen Wandlern 54 und 55 in Abhängigkeit
von den den interdigitalen Wandlern 54 und 55 zugeführ
ten Frequenzen des Hochfrequenzsignals jeweils bestimm
te Wellenlängen oder enge Wellenlängenbereiche im Licht
der LEDs 34-37 auszuwählen, die über die Polarisato
ren 24 und 25 zur Mikroküvette 5 gelangen. Ein Durch
stimmen der Frequenzen für die IOASF 47, 48 und 49
gestattet somit ein überstreichen eines vorgegebenen
durchgehenden oder Unterbrechungen aufweisenden Spek
tralbereichs, wobei mit Hilfe der Detektoranordnung 49
und einer in der Zeichnung nicht dargestellten Auswer
teelektronik eine spektroskopische Untersuchung des in
der Mikroküvette 5 vorhandenen Stoffes ermöglicht ist.
Die vom interdigitalen Wandler 53 erzeugten Oberflä
chenwellen werden in einem monomodigen akustischen
Wellenleiter geführt, der mit Hilfe von Mantelbereichen
56, 57 erzeugt ist. Der Kern des akustischen Wellen
leiters wird von dem Material im Zwischenraum zwischen
den Mantelbereichen 56 und 57 gebildet. Zur Erzeugung
des akustischen Wellenleiters kann eine Ti-Eindiffusion
im Mantelbereich 56 und 57 vorgenommen werden. Alterna
tiv ist es möglich im Kernbereich zwischen den Mantel
bereichen 56 und 57 einen Protonenaustausch vorzuneh
men. Auf diese Weise ergeben sich höhere Geschwindig
keiten in den Mantelbereichen 56 und 57 und kleinere
Geschwindigkeiten für die akustischen Oberflächenwellen
im Kernbereich zwischen den Mantelbereichen 56 und 57,
durch den sich der optische Streifenleiter 50 er
streckt. Wie man in Fig. 1 weiter erkennt, sind akusti
sche Absorber 58, 59 vorgesehen, um Reflexionen der
akustischen Oberflächenwellen an den Rändern des Sub
strates 3 zu vermeiden.
Zusätzlich zum ersten IOASF 47 verfügt der mehrfache
IAOSF 38 über das zweite IOASF 48, das für einen ande
ren Wellenlängenbereich ausgelegt ist. Während das
IOASF 47 nur über einen geradlinig durchgehenden Strei
fenleiter 50 verfügt, ist der Streifenleiter 60 des
zweiten IOASF 48 mit einer Y-Verzweigung 61 versehen,
so daß zwei Eingangswellenleiter 62, 63 zur Zuführung
von Speiselicht der LEDs 34 und 35 verwendet werden
können. Das zweite IOASF 48 verfügt eingangsseitig über
integriert-optische Polarisatoren 64 und 65 und einen
weiteren Polarisator 66, der wie der Polarisator 52 zum
Absorbieren einer TE-Mode und zum Durchlassen der durch
kollinear laufende akustische Oberflächenwellen umge
wandelten TM-Mode dient. Das am Polarisator 24 austre
tende Licht enthält jeweils einen engen Lichtwellenlän
genbereich des Spektrums der LED 34 und einen anderen
kleinen Lichtwellenlängenbereich aus dem Spektrum der
LED 35.
Entsprechend enthält bei einer Ansteuerung des Wandlers
55 mit zwei Frequenzen das durch den Polarisator 25 in
die Mikroküvette 5 gelangende Speiselicht zwei Licht
wellenlängen oder enge Lichtwellenlängenbereiche aus
den Spektralbereichen der LEDs 36 und 37, wobei die
Selektion jeweils über die Frequenz der an den interdi
gitalen Wandler 55 angelegten Durchstimmspannung er
folgt.
Beim dritten IOASF 49, dessen Mantelbereich 67 auch als
Mantel für den akustischen Wellenleiter des IOASF 48
dient, sind zwei optische Streifenleiter 68 und 69
vorgesehen, die sich durch den Kern des akustischen
Wellenleiters erstrecken, der von dem Mantelbereich 67
und einem zweiten Mantelbereich 70 gebildet ist. Die
Steuerung der beiden optischen Wellenleiter erfolgt mit
dem interdigitalen Wandler 55 in einer der vorangehen
den Beschreibung entsprechenden Weise. Ahnlich wie das
IOASF 48 verfügt das IOASF 49 über Polarisatoren 64, 65
und 66. Das Licht am optischen Ausgang 46 im Brennpunkt
der Mikrolinse 22 speist die Mikroküvette 5 nach Durch
queren des Polarisators 25.
Das anhand der Fig. 1 beschriebene optische Spektrome
ter läßt sich äußerst kompakt und platzsparend aufbauen
und elektronisch sehr schnell durchstimmen. Der Einsatz
des mehrfachen IOASF 38 gestattet es, mehrere optische
Kanäle zu verwenden und ein Auflösungsvermögen in der
Größenordnung von 1 Nanometer bei einem optischen spek
tralen Arbeitsbereich von mehr als 500 Nanometer zu
erreichen. Schnelle Wellenlängenänderungen sind inner
halb von Millisekunden möglich. Von Vorteil ist weiter
hin die parallele Verarbeitung in den parallel geschal
teten optischen Kanälen. Der Fachmann erkennt, das es
möglich ist, die LEDs 33-37 zu modulieren, was unter
anderem die Erzeugung von kurzen Impulsen für kineti
sche Untersuchungen ermöglicht. Lichtmodulation zu
Zwecken der Detektion in Lock-in-Verstärkern ist ein
fach durchzuführen, ohne daß zusätzliche Chopper oder
elektrooptische Modulatoren verwendet werden müssen. Da
die kollineare Wechselwirkung keine harmonischen Bänder
auftreten läßt, ist es nicht notwendig Kantenfilter zu
verwenden.
Der Abstand zwischen den Mantelbereichen 56, 57, 67 und
70 ist so gewählt, daß die durch sie gebildeten akusti
schen Wellenleiter monomodig sind. Die zur Erzeugung
der akustischen Wellen vorgesehenen interdigitalen
Wandler 53, 54 und 55 können je nach Notwendigkeit so
ausgelegt sein, daß sie zum Beispiel eine möglichst
große akustische Bandbreite haben oder schmalbandig
sind, aber eine stärkere akustische Welle anregen. Zu
diesen Zwecken können Wandler mit viel oder weniger
Fingerpaare ge-chirpte, fokussierende, apodisierte,
unidirektionale etc. Wandler angewendet werden. Die
Breite der Wandler soll zu der Breite des entsprechen
den akustischen Wellenleiters angepaßt werden (gilt
nicht für fokkusierende Wandler). Es kann von Vorteil
sein, die akustischen Wellenleiter eingangsseitig mit
hornförmigen Aufweitungen zu versehen. Das erlaubt,
breitere Wandler anzuwenden, die besser an den Ausgang
swiderstand eines Generators anzupassen sind, was
letztlich zu einer Reduzierung der für die Konversion
notwendigen elektrischen Energie führt.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein
elektronisch steuerbares Spektrometer, bei dem für
diejenigen Bauteile, die mit denen des Ausführungsbei
spiels gemäß Fig. 1 übereinstimmen, die gleichen Be
zugszeichen verwendet worden sind. Im Gegensatz zum
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, ist beim Ausführungs
beispiel gemäß Fig. 2 keine Mikroküvette in unmittel
barer Nähe des mikrooptischen Chips vorgesehen. Der mit
Hilfe des in Fig. 2 dargestellten Spektrometers unter
suchende Stoff befindet sich vielmehr in einem größeren
Abstand von dem in Fig. 2 dargestellten mikrooptischen
Aufbau. Auch die Detektoren zur Auswertung der Lichtin
tensität bei den jeweils verwendeten Lichtwellenlängen
befinden sich in einem mehr oder weniger großen Abstand
von dem in Fig. 2 dargestellten Teil des Spektrometers.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
wird das Licht der LEDs 33, 34, 35, 36 und 37 wie bei
dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zu den
optischen Ausgängen 44, 45 und 46 geführt. Diese be
finden sich im Brennpunkt der Mikrolinsen 20, 21 und
22, die das von den optischen Ausgängen 44, 45 und 46
kommende Licht kollimieren und über Polarisatoren 23,
24 und 25 weiterleiten. Nach dem Durchtritt durch die
Polarisatoren 23, 24 und 25 wird das von den Polari
satoren 23, 24 und 25 nicht ausgefilterte Licht mit
Hilfe zweiter Mikrolinsen 80, 81 und 82 fokussiert, die
sich jeweils in gegenüber den Hohlräumen 16, 17; 18
gemäß Fig. 1 vergrößerten Hohlräumen 16, 17, 18 befin
den.
Das mit den Mikrolinsen 80, 81, 82 fokussierte Licht
wird in multimodige optische Fasern 83, 84, 85 einge
speist. Das von den optischen Fasern 83, 84, 85 geführ
te monochromatische Licht kann an entfernte Orte oder
schwer zugängliche Stellen geleitet und dort zu spek
troskopischen Zwecken eingesetzt werden. Wie eingangs
seitig können auch die optische Fasern 83, 84 und 85
als Ausgangsfasern mit Hilfe von einem Si-V-Gruben
Array direkt an das mehrfache IOASF 38 angekoppelt
werden. In einem derartigen Fall entfallen die Mikro
linsen 20, 21, 22, 80, 81 und 82. Die Polarisatoren 23,
24 und 25 werden in derartigem Fall auf dem LiNbO3-
Substrat integriert hergestellt.
Das von den optischen Fasern 83, 84 und 85 geführte
Licht kann über einen Koppler auch in einen einzigen in
der Zeichnung nicht dargestellten Lichtwellenleiter
eingespeist und dann auf einfache Weise über große
Entfernungen, beispielsweise 100 Meter, zum Ort des zu
messenden Stoffes geführt werden. Dabei kann das Licht
jeder der fünf Kanäle mit einer eigenen Frequenz von
beispielsweise 10 Hertz bis 30 Kilohertz moduliert
werden.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein besonders
kurzes Spektrometer mit einer einseitigen Kopplung. In
Fig. 3 erkennt man auf der linken Seite ein Si-V-Gru
ben-Array 86, das dazu dient, sowohl die optischen
Eingangsfasern 11, 12 als auch die optischen Ausgangs
fasern 83, 84 an das mehrfache IOASF 88 zu koppeln. Bei
den Eingangsfasern 11, 12 handelt es sich um monomodige
Fasern, jedoch bei den Ausgangsfasern 83, 84 um Multi
mode-Lichtwellenleiter.
Das von der Eingangsfaser 11 zum mehrfachen IOASF 88
eingespeiste Licht gelangt über den optischen Eingang
39 zum ersten Zweig 89 eines optischen Streifenleiters
90 mit einem Y-Verzweiger 91. Der optische Streifenlei
ter 90 ist wie bei den eingangs beschriebenen Ausfüh
rungsbeispielen ein Ti-eindiffundierter Wellenleiter.
Ober den optischen Eingang 39 gelangt das eingespeiste
Licht zunächst zum ersten Zweig 89, das ein protonen
ausgetauschtes Wellenleiterstück ist und als Polarisa
tor dient. Das protonenausgetauschte Wellenleiterstück
läßt nur die TE-Polarisation (XY-Schnitt LiNbO3) durch.
Im optischen Streifenleiter 90 wird die TE-Mode in eine
TM-Mode in der bereits oben beschriebenen Weise durch
eine Wechselwirkung mit akustischen Oberflächenwellen
umgewandelt.
Wie man in Fig. 3 rechts erkennt, erstreckt sich der
Streifenleiter 90 bis zu einem Spiegel 92, der auf der
in Fig. 3 rechten Substratseite des mehrfachen IOASF 88
aufgebracht ist. Unmittelbar vor dem Spiegel befindet
sich ein Polarisator 93, der durch zwei protonenausge
tauschte Bereiche 94 und 95 gebildet ist, die sich auf
beiden Seiten und in unmittelbarer Nähe des optischen
Streifenleiters 90 befinden.
Auf dem mehrfachen IOASF 88 befinden sich weiterhin
Mantelbereiche 56, 57 und 67 zur Bildung zweier akusti
scher Wellenleiter für die von dem interdigitalen
Wandler 53 und dem interdigitalen Wandler 54 erzeugten
Oberflächenwellen zur Durchstimmung der Filter.
Zwischen dem optischen Ausgang 44 und dem Y-Verzweiger
91 ist ein protonenausgetauschter Arm als zweiter Zweig
96 vorgesehen. Der zweite Zweig 96 bildet ebenfalls
einen Polarisator. Das aus dem optischen Ausgang 44
austretende Licht wird in die Ausgangsfaser 83 einge
speist und über diese zu dem zu untersuchenden Stoff
geschickt.
Von dem durch das LED 33 erzeugten Licht gelangt nur
die TE-Mode durch den Polarisator des ersten Zweiges 89
und den Y-Verzweiger 91 in den Streifenleiter 90. Mit
der vom Wandler 53 angeregten akustischen Welle wird
die TE-Mode des Speiselichts in eine TM-Mode umgewan
delt während sich das Licht in Richtung auf den Spiegel
92 ausbreitet. Mit Hilfe des Polarisators 93 wird die
restliche TE-Polarisation absorbiert. Nach der Re
flexion am Spiegel 92 läuft die TM-Mode durch den
Streifenleiter 90 zurück und wird von derselben akusti
schen Welle wie bei der Umwandlung auf dem Hinweg zum
Spiegel in eine TE-Mode zurück- oder umgewandelt. Im
zweiten Zweig 96 wird die restliche TM-Mode von dem
protonenausgetauschten Wellenleiterstück elimiert, so
daß am optischen Ausgang 44 wieder eine reine TE-Mode
vorliegt.
Da das Speiselicht im optischen Streifenleiter 90
innerhalb des akustischen Wellenleiters einen Hinweg
und einen Rückweg zurücklegt, ergibt sich eine doppelte
Konversion, was zu einem monochromatischen Ausgangssig
nal in der optischen Faser 83 mit einer sehr schmalen
Bandbreite und einer sehr guten Unterdrückung des
Untergrundes führt. Für jede Konversion steht die
gesamte Kristallänge zur Verfügung. Dadurch ergibt sich
eine besonders schmale optische Bandbreite und gegen
über einer einzigen Konversion innerhalb des akus
tischen Wellenleiters eine um den Faktor zwei kleinere
akustische Energie, die für die Konversion erforderlich
ist.
Wie bei den weiter oben beschriebenen Ausführungsbei
spielen verfügt das mehrfache IOASF 88 ebenfalls über
akustische Absorber 58 und 59, die sich quer zur Aus
breitungsrichtung der Oberflächenwellen auf der Ober
seite des mehrfachen IOASF 88 in der in Fig. 3 erkenn
baren Weise erstrecken.
Das mehrfache IOASF 88 enthält neben dem oben beschrie
benen ersten IOASF mit einem einzigen den akustischen
Wellenleiter durchquerenden Streifenleiter 90 ein
zweites IOASF mit getrennten Streifenleitern 98, 99 für
den Hinweg zu einem Spiegel 100 und den Rückweg vom
Spiegel 100.
Das in Fig. 3 unten dargestellte zweite IOASF hat eine
ähnliche Wirkungsweise und ähnliche Vorteile wie das
oben in Fig. 3 dargestellte erste IOASF. Ein zusätz
licher Vorteil ergibt sich durch die räumliche Trennung
des Eingangs- und Ausgangskanals, die besser vonein
ander isoliert sind. Innerhalb des akustischen Wellen
leiters, der vom interdigialen Wandler 54 angeregt
wird, befinden sich somit zwei optische Kanäle.
Das Licht der LED 34 gelangt über die monomodige Ein
gangsfaser 12 und den optischen Eingang 42 zum proto
nenausgetauschten oberen Arm 101, der als Polarisator
wirkt und nur eine TE-Mode durchläßt. Beim Durchqueren
des Streifenleiters 98 erfolgt eine TE-TM-Umwandlung.
In unmittelbarer Nähe des Spiegels 100 befindet sich
ein Polarisator 102 aus mehreren die Streifenleiter 98,
99 einschließenden protonenausgetauschten Bereichen,
der nur die TM-Mode durchläßt und nicht umgewandeltes
Licht somit absorbiert. Auf dem Rückweg vom Spiegel 100
durch den Streifenleiter 99 wird die TM-Mode durch die
Wechselwirkung mit der akustischen Oberflächenwelle im
akustischen Wellenleiter in eine TE-Mode umgewandelt
und gelangt schließlich in den unteren Arm 103, in dem
die restliche TM-Polarisation absorbiert wird, da
dieser als integrierter Polarisator ausgebildet ist.
Somit liegt am optischen Ausgang 46 eine reine TE-Mode
vor. Das Ausgangslicht wird schließlich über die multi
modige optische Faser 84 zum zu untersuchenden Stoff
geführt.
Fig. 4 veranschaulicht ein elektronisch steuerbares
Miniaturspektrometer für den sichtbaren und nahen
Infrarotbereich, das sowohl in Transmission als auch in
Reflexion verwendet werden kann. Aus Vereinfachungs
gründen ist in Fig. 4 derjenige Teil des Spektrometers
nicht mehr dargestellt, der demjenigen Teil entspricht,
welcher sich in Fig. 1 links der Mikrolinsen 20, 21 und
22 befindet.
In Abwandlung zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh
rungsbeispiel ist die zweite Ausnehmung 4 vergrößert
und auf der in Fig. 4 linken Seite mit Detektoren 104,
105, 106 belegt, die es gestatten, von der Mikroküvette
5 oder einem anderen in der zweiten Ausnehmung 4 einge
brachten Gegenstand zurückgestreutes Licht bezüglich
seiner Intensität zu messen. Um ein übersprechen zwi
schen den einzelnen Kanälen zu vermeiden sind die
Detektoren 104, 105, 106 durch Trennstege 107 und 108
optisch voneinander getrennt oder so in Vertiefungen
untergebracht, daß die Detektoren 104, 105, 106 jeweils
nur das für sie bestimmte Licht erhalten können.
Bei einer Messung in Reflexion wird somit das von der
Mikroküvette 5 oder einem sonstigen lichtstreuenden
oder lichtabsorbierenden Objekt zu den Detektoren 104,
105 und 106 gelangende Licht ausgewertet.
Bei einer Messung in Transmission erfolgt eine Auswer
tung des mit Hilfe der Detektoranordnung 29 und den
Detektoren 26, 27 und 28 erfaßten Lichtes.
Neben den Detektoren zur Messung in Transmission und
Reflexion verfügt der in Fig. 4 dargestellte mikroopti
sche Chip zusätzlich über einen Referenzdetektor 109,
der es gestattet, eine Referenzbildung zur elektro
nischen Kompensation von Intensitätsschwankungen des
Speiselichtes durchzuführen. Dazu ist im Lichtweg
hinter der Mikrolinse 22 im Hohlraum 18 ein schräg ver
laufendes Glasplättchen 110 vorgesehen, das einen Teil
des einfallenden Speiselichts rechtwinklig durch einen
Lichtkanal 111 zum Referenzdetektor 109 an der in Fig.
4 unteren Seite des mikrooptischen Chips umlenkt.
Der in Fig. 4 dargestellte mikrooptische Chip aus
geätztem Silizium gestattet es somit, auch lichtun
durchlässige Substanzen, insbesondere feste Stoffe oder
stark absorbierende Flüssigkeiten in Reflexion zu
untersuchen. Daher ist die beschriebene Konstruktion
universell für alle in der Nahinfrarot-Spektroskopie
auftretenden Fälle. Flüssigkeiten, feste Stoffe, puder
förmige Substanzen, Öle und Fette können untersucht
werden. Wenn anstelle der Mikroküvette 5 andere licht
streuende oder lichtabsorbierende Objekte in die zweite
Ausnehmung 4 eingebracht werden, können dünne Schichten
auf einem flachen Träger, dünne Platten aus einem
beliebigen Material oder dergleichen untersucht werden.
Nach diesem Prinzip können auch Sensoren aufgebaut
werden. Es können dann solche Objekte ausgewählt
werden, die ihre optischen Eigenschaften (z. B. Farbe)
unter der Wirkung eines externen Parameters (z. B. Gas)
ändern. Die dabei geänderte Transmission oder Reflexion
ist ein Maß für die Stärke der Wirkung des externen
Parameters (in diesem Fall für die Gaskonzentration).
Fig. 5 zeigt eine weitere Abwandlung des in Fig. 1
dargestellten Spektrometers, das ebenfalls wie das
anhand der Fig. 4 erläuterte Spektrometer die Bildung
eines Referenzsignales zur Korrektur des Hauptsignales
zuläßt, um dadurch insbesondere Intensitätsfluktuatio
nen in dem gesamten Spektrometersystem elektronisch
kompensieren zu können.
In Abwandlung zu dem in Fig. 1 rechts dargestellten
Aufbau zeigt Fig. 5 eine Anordnung der Mikroküvette 5,
die nicht rechtwinklig, sondern schräg zum Strahlengang
des Speiselichtes ausgerichtet ist. Bei einem Winkel
von 45° ist es möglich Referenzdetektoren 109 an der in
Fig. 5 unten gezeigten Seite des mikrooptischen Chips
zusätzlich zu den Detektoren 26, 27 und 28 an der
rechten Seite des mikrooptischen Chips zur Auswertung
des Hauptsignals vorzusehen. Bei der in Fig. 5 darge
stellten Anordnung wird die an der Vorderseite der
Mikroküvette 5 auftretende Teilreflexion (etwa 4-5%
bei einer Glasküvette) ausgenutzt, um mit Hilfe der
Detektoren 109 Referenzsignale zu bilden. Bauteile, die
mit den Bauteilen der weiter oben beschriebenen Aus
führungsformen übereinstimmen, sind mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Claims (15)
1. Optisches Spektrometer mit einer an wenigstens
einen Lichtwellenleiter angekoppelten Beleuchtungsein
richtung zur Anstrahlung eines in einem Meßprobenraum
enthaltenen spektroskopisch zu untersuchenden Stoffes,
mit einer Monochromatoreinrichtung und mit einer Detek
toranordnung, dadurch gekennzeich
net, daß die Monochromatoreinrichtung durch wenig
stens ein integriert-optisches akustisch-steuerbares
Wellenlängenfilter (38, 47-49, 88) gebildet ist, dessen
Ausgangslicht nach einer Wechselwirkung mit dem zu
untersuchenden Stoff (5) die Detektoranordnung <26, 27,
28, 29) beaufschlagt.
2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung aus mehreren
unterschiedliche Spektralbereiche abdeckenden licht
emittierenden Dioden (33, 34, 35, 36, 37) gebildet ist,
die jeweils über eine monomodige optische Faser (11,
12, 13, 14, 15) das jeweils zugeordnete Wellenlängen
filter (47, 48, 49) mit breitbandigem Licht beaufschla
gen.
3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Wellenlängenfilter (38, 47-49,
88) einen akustischen Wellenleiter (56, 57, 67, 70) mit
einem interdigitalen Wandler (53, 54, 55) zur Erzeugung
von Oberflächenwellen, wenigstens ein Polarisationsfil
ter (23, 24, 25, 51, 52, 64, 65, 66, 93, 102), zwei
akustische Absorber (58, 59) und einen vom akustischen
Wellenleiter umgebenen optischen Streifenleiter (50,
60, 68, 69, 90, 98, 99) aufweist.
4. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Wellenlängenfilter (38, 88) ein XY-
LiNbO3-Substrat aufweist.
5. Spektrometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der optische Streifenleiter (60)
eingangsseitig eine Verzweigung (61) zum Einkoppeln des
Lichtes zweier lichtemittierender Dioden (34, 35)
aufweist.
6. Spektrometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß wenigstens zwei optische Streifenlei
ter (68, 69) vorgesehen sind, die jeweils mit dem Licht
zugeordneter Dioden (36, 37) beaufschlagbar sind.
7. Spektrometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der optische Streifenleiter (90, 98,
99) an dem dem Einspeiseende gegenüberliegenden Ende
einen Polarisator (93, 102) und einen Spiegel (92, 100)
aufweist.
8. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der optische Streifenleiter (90) an dem
dem Spiegel (92) gegenüberliegenden Ende eine Y-Ver
zweigung (91) aufweist.
9. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Wellenlängenfilter innerhalb des
akustischen Wellenleiters einen ersten optischen Strei
fenleiter (98), über den das Speiselicht zum Spiegel
(100) gelangt, und einen zweiten optischen Streifenlei
ter (99) aufweist, über den das vom Spiegel (100)
reflektierte Licht auskoppelbar ist.
10. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Detektoranordnung (29) in unmittelba
rer Nähe des Meßprobenraumes (4, 5) angeordnet ist, der
über eine Linsenanordnung (20, 21, 22) an die Wellen
längenfilter (47, 48, 49) optisch gekoppelt ist.
11. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Ausgangslicht der Wellenlängenfilter
(47, 48, 49) über multimodige Fasern (83, 84, 85) zu
dem zu untersuchenden Stoff geführt ist.
12. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß im Meßprobenraum (4) eine Mikroküvette
(5) für den zu untersuchenden Stoff angeordnet ist.
13. Spektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Mikroküvette (5) schräg zur Einfalls
richtung des Lichtes angeordnet ist und das an der
Mikroküvette (5) reflektierte Licht eine Referenz
signal-Detektoranordnung (109) speist, die eine Kompen
sation von Intensitätsschwankungen ermöglicht.
14. Spektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Mikroküvette (5) rechtwinklig zur
Einfallsrichtung des Lichtes und im Abstand von Detek
toren (104, 105, 106) der Detektoranordnung vorgesehen
ist, die das von der Mikroküvette (5) und vom Inhalt
der Mikroküvette (5) zurückgestreute Licht zur spektra
len Auswertung erfassen.
15. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Wellenlän
genfilter (38, 88) und der Detektoranordnung (29) ein
schräg angeordnetes Glasplättchen (110) zur Auskopplung
eines Referenzsignales vorgesehen ist.
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