DE60304027T2

DE60304027T2 - System und verfahren zur steuerung einer lichtquelle für cavity-ringdown-spektroskopie

Info

Publication number: DE60304027T2
Application number: DE60304027T
Authority: DE
Inventors: Robert Willow Grove AUGUSTINE; R. Calvin Richboro KRUSEN; Chuji Mississippi State University Starkville WANG; Wen-Bin Cranbury NJ YAN
Original assignee: Tiger Optics LLC
Current assignee: Tiger Optics LLC
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2003-01-02
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2023-01-03
Also published as: TW584717B; US20060087655A1; WO2003098173A1; EP1497627B1; AU2003202884A1; CN1653319A; DE60304027D1; CN1653319B; ES2259756T3; JP2005525571A; US7277177B2; JP4693409B2; ATE320591T1; EP1497627A1; TW200306406A; US20030210398A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Absorptionsspektroskopie und ist insbesondere auf die Aktivierung und Deaktivierung einer Lichtquelle zur Verwendung mit einem optischen Resonator zur Resonatorabkling-Spektroskopie (Cavity Ring Down Spectroscopy) abgestellt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Nun bezugnehmend auf die Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiche Elemente bezeichnen, veranschaulicht 1 das elektromagnetische Spektrum auf einer logarithmischen Skala. Die Wissenschaft der Spektroskopie untersucht Spektren. Im Gegensatz zu Wissenschaften, die mit anderen Teilen des Spektrums befasst sind, beinhaltet die Optik insbesondere sichtbares und fast sichtbares Licht – einen sehr kleinen Teil des verfügbaren Spektrums, das sich von etwa 1 mm bis etwa 1 nm Wellenlänge erstreckt. Fast sichtbares Licht umfasst Farben, die röter als rot sind (infrarot) und Farben, die violetter als violett sind (ultraviolett). Der Bereich erstreckt sich gerade weit genug zu beiden Seiten der Sichtbarkeit, dass das Licht noch durch die meisten Linsen und Spiegel, die aus den üblichen Materialien hergestellt sind, verarbeitet werden können. Die Wellenlängenabhängigkeit von optischen Eigenschaften von Materialien muss oft berücksichtigt werden.
Spektroskopie vom Absorptionstyp bietet eine hohe Empfindlichkeit, Reaktionszeiten im Bereich von Mikrosekunden, Immunität gegenüber Vergiftung bzw. Verunreinigungen und eine begrenzte Interferenz von anderen molekularen Spezies als denjenigen, die untersucht werden. Es können verschiedene molekulare Spezies durch Absorptionsspektroskopie nachgewiesen oder identifiziert werden. Somit bietet die Absorptionsspektroskopie ein allgemeines Verfahren zum Nachweisen von wichtigen Spurenspezies. In der Gasphase wird die Empfindlichkeit und Selektivität dieses Verfahrens optimiert, da die Absorptionsstärke der Spezies in einer Reihe von scharfen Spektrallinien konzentriert ist. Die schmalen Linien im Spektrum können verwendet werden, um von den meisten Fremdspezies zu unterscheiden.
In vielen industriellen Verfahren muss die Konzentration von Spurenspezies in fließenden Gasströmen und Flüssigkeiten mit einem hohen Maß an Schnelligkeit und Genauigkeit gemessen und analysiert werden. Eine derartige Messung und Analyse ist erforderlich, da die Konzentration von Schmutzstoffen oft für die Qualität des Endproduktes entscheidend ist. Gase, wie N₂, O₂, H₂, Ar und He, werden verwendet, um zum Beispiel integrierte Schaltungen herzustellen, und das Vorliegen von Verunreinigungen in diesen Gasen – selbst im Bereich von Teilen auf eine Milliarde (ppb) – wirkt zerstörend und verringert die Ausbeute an funktionsfähigen Schaltungen. Daher ist die relativ hohe Empfindlichkeit, mit der Wasser spektroskopisch überwacht werden kann, für Hersteller von hochreinen Gasen, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden, wichtig. In anderen industriellen Anwendungen müssen verschiedene Verunreinigungen nachgewiesen werden. Ferner wurde in letzter Zeit das Vorliegen von Verunreinigungen in Flüssigkeiten, entweder inhärent oder absichtlich eingebracht, zu einem speziellen Problem.
Die Spektroskopie hat einen Nachweis von gasförmigen Schmutzstoffen in hochreinen Gasen im Bereich von Teilen auf eine Milliarde (ppm) erreicht. Nachweisempfindlichkeiten im ppb-Bereich sind in manchen Fällen erreichbar. Demnach wurden mehrere spektroskopische Verfahren für solche Anwendungen wie der quantitativen Kontaminierungsüberwachung in Gasen angewandt, einschließlich: Absorptionsmessungen in herkömmlichen Zellen mit langen Weglängen, photoakustische Spektroskopie, Frequenzmodulationsspektroskopie und Laserresonator-Absorptionsspektroskopie. Diese Verfahren haben mehrere Merkmale, die in dem US-Patent Nr. 5,528,040, das an Lehmann erteilt wurde, besprochen werden, welche Merkmale ihre Verwendung schwierig machen und sie für industrielle Anwendungen unpraktisch machen. Sie wurden daher großteils auf Laboruntersuchungen beschränkt.
Im Gegensatz dazu ist die kontinuierliche Wave-Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CW-CRDS) zu einer wichtigen spektroskopischen Technik mit Anwendungen in der Wissenschaft, der industriellen Prozesssteuerung und dem atmosphärischen Spurengasnachweis geworden. Die CW-CRDS wurde als eine Technik zur Messung von Lichtabsorption gezeigt, die unter Bedingungen einer geringen Absorption, bei denen herkömmliche Verfahren eine ungenügende Empfindlichkeit aufweisen, ausgezeichnet ist. Die CW-CRDS nutzt die mittlere Lebensdauer von Photonen in einem hochfeinen optischen Resonator als absorptionsempfindliche Observable.
Typischerweise wird der Resonator aus einem Paar von nominal äquivalenten, dielektrischen Schmalbandspiegeln mit einem ultrahohen Reflexionsvermögen gebildet, die auf geeignete Weise konfiguriert sind, um einen stabilen optischen Resonator zu bilden. Ein Laserimpuls wird durch einen Spiegel in den Resonator injiziert, um eine mittlere Lebensdauer zu erfahren, die von der Umlaufzeit der Photonen, der Länge des Resonators, dem Querschnitt der Absorption und der Anzahldichte der Spezies und einem Faktor, der eigene Resonatorverluste erklärt, abhängt (die großteils durch die frequenzabhängigen Spiegelreflexionsvermögen entstehen, wenn Beugungsverluste vernachlässigbar sind). Die Bestimmung der Lichtabsorption wird daher von der herkömmlichen Leistungsverhältnis-Messung in eine Messung der Abklingzeit umgewandelt. Die Höchstempfindlichkeit der CW-CRDS wird durch die Größe der eigenen Resonatorverluste bestimmt, die mit Techniken wie Feinpolieren minimiert werden können, was die Herstellung von Optik mit ultrageringen Verlusten erlaubt.
2 veranschaulicht eine herkömmliche CW-CRDS-Vorrichtung 200. Wie in 2 gezeigt, wird Licht von einem abstimmbaren, kontinuierlichen Schmalband-Diodenlaser 202 erzeugt. Der Laser 202 wird durch einen Temperaturwächter (nicht gezeigt) temperaturmäßig abgestimmt, um seine Wellenlänge auf die gewünschte Spektrallinie der Messprobe zu bringen. Ein akustooptischer Modulator (AOM) 204 ist vor der Strahlung, die von dem Laser 202 ausgesendet wird, und in Reihe mit dieser positioniert. Der AOM 204 stellt ein Mittel zum Bereitstellen von Licht 206 aus dem Laser 202 entlang der optischen Achse 219 des Hohlraumresonators 218 zur Verfügung. Licht 206 tritt aus dem AOM 204 aus und wird als Licht 206a von Spiegeln 208, 210 zum Resonatorspiegel 220 gelenkt. Licht wandert entlang der optischen Achse 219 und fällt zwischen den Resonatorspiegeln 220 und 222 exponentiell ab. Die Messung dieses Abfallens zeigt das Vorliegen oder Fehlen einer t-Spurenspezies an. Der Detektor 212 ist zwischen dem Ausgang des optischen Resonators 218 und dem Steuergerät 214 gekoppelt. Das Steuergerät 214 ist an den Laser 202, den Prozessor 216 und den AOM 204 gekoppelt. Der Prozessor 216 verarbeitet Signale von dem optischen Detektor 212, um den Pegel der Spurenspezies in dem optischen Resonator 218 zu bestimmen.
In dem AOM 204 erzeugt ein Drucksensor (nicht gezeigt) eine Schallwelle, die den Brechungsindex in einem aktiven nichtlinearen Kristall (nicht gezeigt) durch eine photoelastische Wirkung moduliert. Die Schallwelle erzeugt ein Braggsches Beugungsgitter, das einfallendes Licht in eine Vielzahl von Ordnungen zerstreut, wie nullte Ordnung und erste Ordnung. Verschiedene Ordnungen haben verschiedene Lichtstrahlenergien und folgen verschiedenen Strahlrichtungen. Bei der CW-CRDS wird typischerweise ein Lichtstrahl erster Ordnung 206 mit der optischen Achse 219 des Resonators 218 ausgerichtet, die auf den einkoppelnden Resonatorspiegel 220 fällt, und ein Strahl nullter Ordnung 224 ist mit einem anderen Lichtweg ungenutzt (andere Strahlen höherer Ordnung sind sehr schwach und werden somit nicht angesprochen). Somit steuert der AOM 204 die Richtung der Strahlen 206, 224.
Wenn der AOM 204 eingeschaltet ist, geht die meiste Lichtleistung (typischerweise bis zu 80%, je nach Größe des Strahls, Kristallen innerhalb des AOM 204, Ausrichtung, usw.) als Licht 206 in die erste Ordnung entlang der optischen Achse 219 des Hohlraumresonators 218. Die verbleibende Strahlleistung geht in die nullte Ordnung (Licht 224) oder in andere höhere Ordnungen. Der Strahl erster Ordnung 206 wird für die die Eingabe koppelnde Lichtquelle verwendet; der Strahl nullter Ordnung 224 ist typischerweise ungenutzt oder wird für diagnostische Komponenten verwendet. Sobald sich Lichtenergie innerhalb des Resonators aufgebaut hat, wird der AOM 204 ausgeschaltet. Dies führt dazu, dass die gesamte Strahlleistung als Licht 224 in die nullte Ordnung geht, und es wird kein Licht 206 in den Hohlraumresonator 218 eingekoppelt. Die gespeicherte Lichtenergie in dem Resonator folgt einem exponentiellen Abfall (Abklingen).
Um das Laserlicht zum optischen Resonator 218 "abzuschalten" und es somit der Energie innerhalb des optischen Resonators 218 zu ermöglichen, "abzuklingen", leitet der AOM 204 unter der Steuerung des Steuergeräts 214 und durch die Steuerleitung 224 Licht vom Laser 204 entlang des Weges 224 um (lenkt dieses ab) und somit weg von dem Lichtweg 219 des optischen Resonators 218. Dieser herkömmliche Ansatz hat jedoch Nachteile, da in erster Linie durch die Umleitungsmittel, die in dem AOM enthalten sind, Verluste der Lichtenergie auftreten. Andere Verluste können auch auf Grund von Spiegeln 208, 210 auftreten, die verwendet werden, um Licht von dem AOM 204 zum optischen Resonator 218 zu leiten. Es wird geschätzt, dass auf Grund dieser Verluste letztendlich nur 50%–80% des von dem Laser 202 ausgesendeten Lichtes den optischen Resonator 218 als Licht 206a erreichen. Ferner sind diese herkömmlichen Systeme kostspielig und der AOM benötigt zusätzlichen Raum und einen ACM-Treiber (nicht gezeigt) innerhalb des Systems.
Um die Nachteile von herkömmlichen Systemen zu umgehen, wird ein verbessertes System und Verfahren zum Zuführen und Steuern von Laserlicht zu einem Hohlraumresonator bereitgestellt. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das herkömmliche AOM/Steuer-System durch ein vereinfachtes und kosteneffektives Steuerungssystem zu ersetzen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um diese und andere Aufgaben zu lösen, und angesichts ihrer Zwecke, stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Steuern einer Lichtquelle zur Verwendung mit einem Hohlraumresonator bereit. Die Vorrichtung weist ein Steuergerät zum Empfangen eines Vergleichs eines Detektorsignals und einer vorbestimmten Grenze, wobei der Komparator ein Steuersignal zum einem von Aktivieren und Deaktivieren der Lichtquelle basierend auf dem Vergleich erzeugt; eine erste Verzögerungsschaltung, die mit dem Steuergerät gekoppelt ist, um ein erstes Verzögerungssignal an das Steuergerät zu erzeugen; und eine zweite Verzögerungsschaltung auf, die mit dem Komparator und dem Steuergerät gekoppelt ist, um ein zweites Verzögerungssignal an das Steuergerät basierend auf dem Vergleich des Detektorsignals und der vorbestimmten Grenze zu erzeugen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt die Lichtquelle als eine Eingabe in den Hohlraumresonator Licht bereit, um das Vorliegen einer Messprobe in dem Hohlraumresonator zu messen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird Licht von der Quelle durch eine Glasfaser in den Hohlraumresonator gekoppelt.
Nach noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung koppelt ein Kollimator das Licht in den Hohlraumresonator.
Nach noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erzeugt ein Komparator ein Ausgabesignal an das Steuergerät basierend auf einem Vergleich des Detektorsignals und einer vorbestimmten Grenze.
Nach noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Detektor zwischen der Ausgabe des Hohlraumresonators und dem Komparator gekoppelt und erzeugt ein Signal basierend auf der Lichtausgabe von dem Hohlraumresonator.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Lichtquelle basierend auf dem ersten Verzögerungssignal deaktiviert.
Nach noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Lichtquelle nach einem Ende der ersten Verzögerungsperiode aktiviert.
Nach noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nach einem Ende der ersten Verzögerungsperiode die Lichtquelle aktiviert, und es baut sich durch die Strommodulation Energie innerhalb des Resonators auf.
Nach noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Messprobenpegel, der in dem Hohlraumresonator vorhanden ist, während der ersten Verzögerungsperiode gemessen.
Nach noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung deaktiviert das Steuergerät die Lichtquelle durch Parallelschalten einer Stromzufuhr für die Lichtquelle.
Nach noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtquelle ein Laser.
Das Verfahren umfasst die Schritte des Erfassens einer Lichtenergie-Signalausgabe von dem Hohlraumresonator; Vergleichens des erfassten Signals mit einer vorbestimmten Grenze; Erzeugens eines Steuersignals zum Steuern der Lichtquelle basierend auf dem Vergleich; Erzeugens eines ersten Verzögerungssignals zu dem Steuergerät; Erzeugens eines zweiten Verzögerungssignals nach dem Ende des ersten Verzögerungssignals; Vorsehens einer Strommodulation; und Messens eines Pegels der Messprobe nach einem Ende des zweiten Verzögerungssignals.
Es versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung beispielhaft für die Erfindung sind, diese aber nicht einschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird durch die folgende ausführliche Beschreibung am besten verstanden, wenn sie im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird. Es wird betont, dass nach üblicher Praxis die verschiedenen Merkmale der Zeichnung nicht maßstabsgerecht sind. Im Gegenteil sind die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zur Verdeutlichung beliebig vergrößert oder verkleinert. Die folgenden Figuren gehören zu den Zeichnungen:
1 veranschaulicht das elektromagnetische Spektrum auf einer logarithmischen Skala;
2 veranschaulicht ein CW-CRDS-System des Stands der Technik;
3A veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3B veranschaulicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Veranschaulichung eines beispielhaften Steuergeräts der vorliegenden Erfindung; und
5 ist ein Diagramm, das verschiedene Verzögerungszeitsteuerungen nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
3A veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3A gezeigt ist, wird Licht von der Lichtquelle 302, wie zum Beispiel einem abstimmbaren, kontinuierlichen Schmalband-Diodenlaser, erzeugt. Die Lichtquelle 302 wird durch einen Temperaturwächter (nicht gezeigt) temperaturmäßig abgestimmt, um ihre Wellenlänge auf die gewünschte Spektrallinie der betreffenden Messprobe zu bringen. Lichtenergie von der Lichtquelle 302 wird durch eine Glasfaser 304 zum Faserkollimator 308 gekoppelt. Lichtenergie 306 wird dem Hohlraumresonator 318 wiederum von dem Kollimator 308 im Wesentlichen parallel zu dessen optischer Achse 319 zugeführt. Der Detektor 312 ist zwischen dem Ausgang des optischen Resonators 318 und dem Steuergerät 314 gekoppelt. Das Steuergerät 314 ist an die Lichtquelle 302 und das Datenanalysesystem 316 gekoppelt. Das Datenanalysesystem 316, wie ein PC oder ein anderer spezialisierter Prozessor, verarbeitet Signale von dem optischen Detektor 312 unter der Steuerung des Steuergerätes 314, um den Pegel der Spurenspezies (Messprobe) in dem optischen Resonator 318 zu bestimmen.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle 302 ein temperatur- und stromgesteuerter, abstimmbarer Halbleiterlaser mit einer Strahlung schmaler Linienbreite, der im sichtbaren bis nahen und mittleren Infrarotspektrum arbeitet. In einer anderen Ausführungsform kann die Lichtquelle 302 ein Halbleiter-Diodenlaser mit externem Resonator sein.
Der Hohlraumresonator 318 weist vorzugsweise mindestens ein Paar von Spiegeln mit hohem Reflexionsvermögen 320, 322 und eine Gaszelle 321 auf, auf der die Spiegel angebracht sind. Die Zelle 321 kann zum Beispiel eine Durchflusszelle oder eine Vakuumzelle sein. In einer anderen Ausführungsform, wie in 3B gezeigt, kann der Hohlraumresonator 318 aus einem Paar von Prismen 324, 326 und einer entsprechenden Gaszelle 321 bestehen.
Der Detektor 212 ist vorzugsweise ein Photovoltaikdetektor, wie zum Beispiel Photodioden oder Photovervielfacherröhren (PMT).
Nun mit Bezug auf 4 ist ein detailliertes Blockdiagramm des Steuergerätes 314 gezeigt. Wie in 4 gezeigt ist, empfängt der Puffer 402 das Signal 313 (das die Amplitude des Abklingsignals darstellt) von dem Detektor 312 (in den 3A–3B gezeigt). Der Komparator 406 empfängt das gepufferte Signal 313 und führt einen Vergleich mit einem Grenzsignal 404 durch. Im Betrieb nimmt das Grenzsignal 404 nach oben zu, bis die Ausgabe des Komparators 406 einen Nullzustand erreicht hat. Dann nimmt das Grenzsignal 404 ab, bis der Komparator 406 ein Ausgabesignal ausgibt. Daraus ergibt sich, dass das Grenzsignal 404 auf dem Pegel des Abklingsignals basiert. Auf diese Weise ist der Steuerkreis 408 in der Lage, zu bestimmen, wenn die Abklingsignalausgabe aus dem Detektor 312 verschwindet.
Der Steuerkreis 408 erzeugt ein Steuersignal 408a, basierend auf dem Verschwinden des Abklingsignals, um eine erste Verzögerungsschaltung 412 zu aktivieren. Am Ende der ersten Verzögerungsperiode (Zeit t₁, wie in 5 gezeigt), wird das Signal 412a erzeugt und dem Steuerkreis 408 zugeführt. Der Steuerkreis 408 erzeugt wiederum das Signal 408b, um eine zweite Verzögerungsschaltung 414 zu aktivieren, und sendet das Signal 408c an den Schalterstromkreis 410, der wiederum die Lichtquelle 302 aktiviert (in Phantomzeichnung gezeigt und vorstehend mit Bezug auf die 3A und 3B beschrieben). Am Ende der Verzögerungsperiode t₂ (in 5 gezeigt), erzeugt die Verzögerungsschaltung 414 ein Signal 414a zum Steuerkreis 408, um anzuzeigen, dass sich die Lichtquelle 302 stabilisiert hat und um eine dritte Zeitdauer t₃ zu beginnen (in 5 gezeigt). Die Zeitdauer t₃ (nachstehend genau in Bezug auf 5 beschrieben) wird verwendet, um sicherzustellen, dass der Hohlraumresonator 318 durch Strommodulation vollkommen mit Lichtenergie gefüllt ist, bevor die Messprobenkonzentration gemessen wird. Am Ende der Zeitdauer t₃ wird das Steuersignal 408c deaktiviert, welches wiederum von dem Schalterstromkreis 410 verwendet wird, um die Lichtquelle 302 zu deaktivieren. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schaltet der Schalterstromkreis 410 unter Verwendung von herkömmlichen Stromvorrichtungen Strom von der Lichtquelle 302 parallel, um die Lichtquelle 302 zu deaktivieren.
Zusammenfallend mit der Deaktivierung des Signals 408c wird auch das Signal 408d erzeugt und dem Datenanalysesystem 316 zugeführt (gezeigt in Phantomzeichnung und vorstehend anhand der 3A und 3B beschrieben). Obwohl die Signale 408c und 408d als separate Signale gezeigt sind, kann es bevorzugt sein, diese gegebenenfalls zu einem einzigen Steuersignal zu kombinieren. Bei einem derartigen Ansatz kann eine Aufbereitung des Signals 408c erforderlich sein, um einen zweckmäßigen logischen Steuersignalpegel (basierend zum Beispiel auf digitalen Signalen) zur Verfügung zu stellen, um eine angemessene Steuerung des Datenanalysesystems 316 bereitzustellen.
Das Signal 408d (bei dem Ansatz mit zwei Signalen 408c/408d) wird von dem Datenanalysesystem 316 verwendet, um anzuzeigen, dass die Lichtquelle 302 deaktiviert wurde und dass die Messung der Messprobe beginnen sollte. Zu diesem Zeitpunkt wiederholt sich das Verfahren, um aufeinanderfolgendes Abklingen zu messen, indem erneut die erste Verzögerungsschaltung 412 durch den Steuerkreis 408 initialisiert wird.
Da sich die vorstehende Beschreibung auf eine fortgesetzte Messung von Messproben bezieht, muss die Schaltung vor der ersten Messung initialisiert werden. Um diese Initialisierung durchzuführen, wird ein Initialisierungssignal 420 als eine Eingabe in die erste Verzögerungsschaltung 412 vorgesehen. Nach Aktivierung des Initialisierungssignals 420, wie durch einen Knopf, oder zum Beispiel des Steuersignals von dem Datenanalysesystem 316, beginnt die Verzögerungszeit t₀. Das Verfahren folgt dann dem vorstehend umrissenen Verfahren.
In der beispielhaften Ausführungsform hat der Schalterstromkreis 410 drei Funktionen: 1) als ein Laserstromtreiber, der Laserantriebsstrom für eine gewünschte Ausgabe der Laserleistung zur Verfügung stellt, 2) zum Vorsehen von Strommodulierung, was zu einem Energieaufbau innerhalb des Resonators 318 führt, und 3) als ein Stromschalter/eine Parallelschaltung zum Einschalten/Ausschalten des Stromtreibers zur Lichtquelle 302.
Als Ergebnis energetisiert das Steuergerät 314 die Lichtquelle 302, um Energie in dem Hohlraumresonator 318 zu erzeugen, verwendet eine erste Verzögerung, um es der Lichtquelle 302 zu ermöglichen, sich zu stabilisieren, bevor sie nach neuen Daten sucht, nutzt eine zweite Verzögerung, um auf einen Aufbau von ausreichend Lichtenergie in der Zelle zu warten, und schaltet dann die Energie zur Lichtquelle 302 ab. Eine weitere Verzögerung wird eingesetzt, nachdem die Energie von der Lichtquelle 302 entfernt wurde, um es der Lichtenergie zu ermöglichen, vollständig abzuklingen. Dieses Verfahren wird dann für eine einzelne Wellenlängen-Abklingangabe bei einer gegebenen Temperatur wiederholt. Es werden Abklingspektren durch das Datenanalysesystem 316 verarbeitet. Diese verschiedenen Verzögerungen sind in 5 veranschaulicht.
Wie in 5 gezeigt ist, wird bei einer Zeit t₀ die Lichtquelle 302 energetisiert, indem ein Betriebsstrom I zur Verfügung gestellt wird, der über dem Grenzstrom I₀ der Lichtquelle ist. Der Grenzstrom I₀ schwankt basierend auf der Art der verwendeten Lichtquelle. Die Verzögerungszeit t₂ stellt die Verzögerung dar, um es der Lichtquelle zu ermöglichen, sich zu stabilisieren. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Zeitverzögerung t₂ auf etwa 100 msec eingestellt. Die Verzögerungszeit t₃ stellt die Zeit dar, um es der Strommodulation zu ermöglichen, sich innerhalb des Hohlraumresonators 318 aufzubauen. Es ist anzumerken, dass die Zeit, die erforderlich ist, damit sich die Strommodulation innerhalb des Hohlraumresonators 318 aufbauen kann, < < t3 ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform basiert die Zeitverzögerung t₃ auf der Modulationsfrequenz f der Lichtquelle 302 und ist vorzugsweise gleich etwa 1/f. Die Zeitverzögerung t₁ basiert auf der Abklingzeit des Hohlraumresonators 318. Um ausreichend Zeit zu ermöglichen, damit die Lichtenergie in dem Hohlraumresonator 318 "abklingen" kann, wird die Zeitverzögerung t₁ vorzugsweise etwa auf das Zehn(10)-fache der Abklingzeit des Hohlraums eingestellt.
Der Lasertemperaturtreiber 416, gesteuert von herkömmlichen Mitteln (nicht gezeigt), bietet eine Temperaturregelung für die Lichtquelle 302 zur Erzeugung einer gewünschten Lichtfrequenz bei einer gegebenen Temperatur. Die Frequenz wird ausgewählt basierend auf der betreffenden besonderen Messprobe.
Durch die vorliegende Erfindung können verschiedene Vorteile realisiert werden, wie:

• nahezu 100%ige Verwendung der von der Lichtquelle 202 erzeugten Strahlleistung (es können vernachlässigbare aber nicht nachweisbare Verluste innerhalb der Glasfaser 304 und dem Kollimator 308 entstehen). Ein höherer Energieaufbau in dem Hohlraum bietet einen besseren Störabstand und verringert Schrotrauschen. Dies ist äußerst vorteilhaft, wenn eine Lichtquelle schwach ist. Wie vorstehend erwähnt, gehen typischerweise nur etwa 50–80% der Lichtleistung in die erste Ordnung, wenn Licht einen AOM passiert.
• Durch Eliminierung des AOM ergibt sich eine Kostenersparnis. Ein typischer handelsüblicher AOM kostet etwa $2.000.
• Vereinfachter CW-CRDS-Aufbau. Dies ermöglicht eine größere Raumflexibilität für die Aufbauanordnungen und eliminiert die mechanische und optische Empfindlichkeit gegenüber der Testumgebung, die der AOM mit sich bringt.

Obwohl die vorliegende Erfindung hier anhand bestimmter spezieller Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurde, soll sie nicht auf die gezeigten Einzelheiten beschränkt sein. Es können eher verschiedene Modifikationen der Details im Rahmen und Bereich von Äquivalenten der Ansprüche und ohne Abweichen vom Wesen der Erfindung vorgenommen werden.

Claims

Vorrichtung zum Steuern einer Lichtquelle (302) zur Verwendung mit einem Hohlraumresonator (318), wobei die Vorrichtung aufweist: einen Grenzsignalgenerator zum Erzeugen eines Grenzsignals (404) basierend auf einem Pegel eines Ausgangssignals von dem Hohlraumresonator (318); einen Komparator (406), der mit dem Grenzsignalgenerator zum Empfangen des Ausgangssignals von dem Hohlraumresonator gekoppelt ist, wobei der Komparator basierend auf dem Grenzsignal (404) und dem Ausgangssignal von dem Hohlraumresonator (318) ein Vergleichssignal erzeugt; einen Steuerkreis (408) zum i) Empfangen des Vergleichssignals und ii) Erzeugen eines Steuersignals (408c) zum mindestens einem von Aktivieren und Deaktivieren der Lichtquelle basierend auf dem Vergleich; eine erste Verzögerungsschaltung (412), die mit dem Steuerkreis (408) gekoppelt ist, zum Erzeugen eines ersten Verzögerungssignals (412a) mit einer ersten Verzögerungsperiode (t₁) zum Steuerkreis (408), wobei die erste Verzögerungsperiode gleich einer oder größer als eine Stabilisierungszeit der Lichtquelle ist; und eine zweite Verzögerungsschaltung (414), die mit dem Steuerkreis (408) gekoppelt ist, zum Erzeugen eines zweiten Verzögerungssignals (414a) mit einer zweiten Verzögerungsperiode (t₂) zum Steuerkreis am Ende der ersten Verzögerungsperiode (t₁), wobei die zweite Verzögerungsperiode (t₂) gleich einer oder größer als eine Zeitdauer ist, die benötigt wird, damit der Hohlraumresonator (318) vollständig mit von der Lichtquelle (302) erzeugtem Licht gefüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Verzögerungsschaltung (412) durch ein Steuersignal (408a) initialisiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (302) Licht als eine Eingabe in den Hohlraumresonator (318) zur Verfügung stellt, der verwendet wird, um das Vorliegen einer Messprobe in dem Hohlraumresonator zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Licht von der Quelle (302) durch eine Glasfaser (304) an den Hohlraumresonator (318) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner aufweisend einen Faserkollimator (308), der zwischen der Glasfaser (304) und einem Eingang des Hohlraumresonators (318) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Grenzsignal (404) i) nach oben zunimmt, bis die Ausgabe des Komparators (406) basierend auf dem Pegel des Abklingsignals von dem Hohlraumresonator einen Nullzustand erreicht, und ii) dann abnimmt, bis die Ausgabe des Komparators positiv wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Detektor (312), der zwischen einem Ausgang des Hohlraumresonators (318) und dem Komparator (406) gekoppelt ist, wobei der Detektor das Detektorsignal (313) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (302) basierend auf der ersten Verzögerungsperiode (t₁) der ersten Verzögerungsschaltung (412) deaktiviert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste Verzögerungsperiode (t₁) auf einem Abklingzeitraum des Hohlraumresonators (318) basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste Verzögerungsperiode (t₁) etwa das Zehnfache der Abklingperiode beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Lichtquelle (302) nach einem Ende der ersten Verzögerungsperiode (t₁) aktiviert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Messprobenpegel, der in dem Hohlraumresonator (318) vorhanden ist, während der ersten Verzögerungsperiode (t₁) gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Verzögerungsperiode (t₂) der zweiten Verzögerungsschaltung (414) auf einer Stabilisierungszeit der Lichtquelle (302) basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die zweite Verzögerungsperiode (t₂) etwa 100 msec beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Verzögerungssignal (412a) nach einer dritten Verzögerungsperiode (t₃) erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die dritte Verzögerungsperiode (t₃) auf einer Modulationsfrequenz der Lichtquelle (302) basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die dritte Verzögerungsperiode (t₃) eine Umkehrung der Modulationsfrequenz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die dritte Verzögerungsperiode (t₃) der zweiten Verzögerungsperiode (t₂) folgt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei sich innerhalb des Hohlraumresonators (318) während der dritten Verzögerungsperiode (t₃) Lichtenergie (306) aufbaut.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle ein Laser ist.
System, aufweisend die Vorrichtung von Anspruch 1, wobei das System aufweist: einen Hohlraumresonator (318); einen Detektor (312), der mit einem Ausgang des Hohlraumresonators (318) gekoppelt ist, um basierend auf einer Lichtausgabe aus dem Hohlraumresonator (318) ein Detektorsignal (313) zu erzeugen; den Steuerkreis (408), der mit der Lichtquelle (302) gekoppelt ist, wobei der Steuerkreis (408) die Lichtquelle (302) basierend auf dem Detektionssignal unmittelbar aktiviert und deaktiviert; und ein Datenanalysesystem (316), das mit dem Steuerkreis (408) gekoppelt ist, um das Detektionssignal zu verarbeiten und einen Pegel der Messprobe, die in dem Hohlraumresonator vorliegt, zu bestimmen.
System nach Anspruch 21, wobei der Steuerkreis (408) die Lichtquelle durch Parallelschalten einer Stromzufuhr für die Lichtquelle (302) deaktiviert.
System nach Anspruch 21, ferner aufweisend eine Glasfaser (304), die Lichtenergie von der Lichtquelle (302) zu dem Hohlraumresonator (318) koppelt.
System nach Anspruch 23, ferner aufweisend einen Faserkollimator (308), der zwischen einem Ende der Glasfaser (304) und dem Hohlraumresonator (318) gekoppelt ist.
System nach Anspruch 21, wobei der Steuerkreis (408) die Lichtquelle für eine erste vorbestimmte Zeitdauer aktiviert und die Lichtquelle für eine zweite vorbestimmte Zeitdauer deaktiviert.
System nach Anspruch 25, wobei die erste vorbestimmte Zeitdauer in etwa auf einer Stabilisierungszeit der Lichtquelle basiert.
System nach Anspruch 26, wobei die erste vorbestimmte Periode ferner auf einer Modulationsfrequenz der Lichtquelle (302) basiert.
System nach Anspruch 21, wobei die Lichtquelle (302) ein Laser ist.
System nach Anspruch 21, wobei die Energie Lichtenergie ist.
Verfahren zum Messen des Vorliegens einer Messprobe in einem Hohlraumresonator zur Verwendung mit einer Lichtquelle, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassen einer Lichtenergie-Signalausgabe von dem Hohlraumresonator; Erzeugen eines Grenzsignals basierend auf einem Pegel eines Ausgangssignals von dem Hohlraumresonator; Vergleichen des erfassten Signals mit dem Grenzsignal; Erzeugen eines Steuersignals zum Steuern der Aktivierung und Deaktivierung der Lichtquelle basierend auf dem Vergleich; Erzeugen eines ersten Verzögerungssignals mit einer ersten Verzögerungsperiode zum Steuergerät, wobei die erste Verzögerungsperiode gleich einer oder größer als eine Stabilisierungszeit der Lichtquelle ist; Erzeugen eines zweiten Verzögerungssignals mit einer zweiten Verzögerungsperiode nach einem Ende einer ersten Verzögerungsperiode, wobei die zweite Verzögerungsperiode gleich einer oder größer als eine Zeitdauer ist, die benötigt wird, damit der Hohlraumresonator vollkommen mit von der Lichtquelle erzeugtem Licht gefüllt ist; und Messen eines Pegels der Messprobe nach einem Ende einer zweiten Verzögerungsperiode.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner aufweisend die folgenden Schritte: Aktivieren der Lichtquelle nach der Erzeugung des zweiten Verzögerungssignals; und Deaktivieren der Lichtquelle mindestens während der ersten Verzögerungsperiode.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner aufweisend den Schritt des Vorsehens eines Initialisierungssignals zum Initialisieren des ersten Verzögerungssignals.