DE69226442T2 - Optische faser für spektroskopischen nachweis - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung betrifft die Spektroskopietechnik und insbesondere die Technik zur Materialanalyse unter Verwendung optischer fasergedämpfter Totalreflexionstechnik.
- Spektroskopie wird häufig bei der qualitativen und quantitativen Analyse von Materialien eingesetzt. Infrarotstrahlungsdetektionstechniken bieten häufig Vorteile gegenüber spektroskopischen Techniken, die Strahlung kürzerer Wellenlängen, wie z. B. sichtbares oder ultraviolettes Licht, verwenden, da organische und biologische Materialien charakteristische starke und verhältnismäßig schmale Absorptionspeaks im Infrarotbereich aufweisen. Die Fouriertransformations-Infrarot-(FTIR-) Spektroskopieuntersuchung ist in der Spektroskopie nützlich, wie beispielsweise im Stevenson U. S. Patent 4,798,954, Vidrine U. S. Patent 4,827,121 und Cook U. S. Patent 4,852,967 diskutiert ist. Das analysierte oder untersuchte Material kann gasförmig, flüssig oder fest sein.
- Diese Erfindung betrifft die Verwendung einer optischen Faser als Sensor mit mehrfacher interner Reflexion (MIR) und insbesondere die Technik der Verwendung optischer Fasern als MIR-Sensoren zur Durchführung sowohl von Emissionsspektroskopie als auch von absorptionsspektroskopischen Messungen an stark absorbierendem oder stark streuendem Material, eine Technik, die manchmal als Evaneszente-Welle-Spektroskopie bezeichnet wird. Eine solche Technik hat einen nicht ummantelten Faserabschnitt benutzt, der in einem flüssigen, festen oder gasförmigen Medium mit einem Brechungsindex angeordnet ist, der kleiner als der der Faser ist, um ein optisches Spektrum des Probenmaterials aufzunehmen.
- Das Spektrum, das durch die in Kontakt mit dem absorbierenden oder emittierenden Medium (interessierende Probe oder Analysestoff) befindliche Faser erhalten ist, ist abhängig von den Reflexionswinkeln (Modusstruktur) des sich in der Faser ausbreitenden Lichtstrahls, den Brechungsindizes der Faser und des absorbierenden Mediums, und dem Absorptionskoeffizienten des absorbierenden Mediums. Lichtstrahlen, die sich bei Reflexionswinkeln in der Nähe des kritischen Winkels ausbreiten, neigen dazu, die evaneszente Welle weiter in das Absorptionsmedium hinein auszubreiten, wohingegen Lichtstrahlen, die sich bei Reflexionswinkeln oberhalb des kritischen Winkels ausbreiten, nicht reflektiert werden. Ferner erzeugen Lichtstrahlen bei höherem Winkel mehr interne Reflexionen pro Einheitslänge der Faser und erhöhen somit die Empfindlichkeit des Sensors.
- Üblicherweise verwendet die Technik einen nicht ummantelten Sensorabschnitt, entweder durch Verbinden eines nicht ummantelten Abschnitts einer angeschlossenen Sensorfaser (beispielsweise mit optisch ummantelten Übertragungsfasern) in Reihe oder durch Entfernen (entweder mechanisch oder chemisch) der Ummantelung von einer ummantelten Faser im Sensorbereich unter Beibehaltung der optischen Ummantelung in dem/den Übertragungsbereich(en) der Faser. Diese Ummantelung kann beispielsweise Glas oder Kunststoff sein, und es ist schwierig, eine solche Ummantelung von der Kernfaser zu entfernen, ohne Streustellen am Kern oder andere Verzerrungen zu verursachen, die Aberrationen bewirken. Ebenso verursacht die Verbindung von zwei Fasern, beispielsweise eines nicht ummantelten Abschnitts einer Sensorfaser mit einem Abschnitt einer Übertragungsfaser, häufig Signalverlust und Signalverzerrung oder Rauschen, wie z. B. Reflexionen und andere Aberrationen an der Verbindungsschnittstelle, welche das Signal/Rausch-Verhältnis beträchtlich verringern.
- Die OPTICS LETTERS, Band 12, Nr. 6, Juni 1987 WASHINGTON U. S. Seiten 437 bis 439 H. Tai et al. enthalten einen Artikel mit dem Titel "Fibre-Optic Evanescent-Wave Methane Gas Sensor Using Optical Absorption for the 3.392 microline of a He-Ne laser". Der Artikel offenbart eine langgestreckte Strahlungsübertragungsfaser für spektroskopische Untersuchungen, umfassend einen Übertragungsabschnitt, einen Übergangsabschnitt mit röhrenförmiger Gestalt und einen Sensorabschnitt mit einem kleineren Durchmesser als der Übertragungsabschnitt. Der Übertragungsabschnitt, der Übergangsabschnitt und der Sensorabschnitt weisen einen durchgehenden Kernabschnitt und eine durchgehende Ummantelung über die Kernabschnitte über den gesamten Übertragungsabschnitt, Übergangsabschnitt und Sensorabschnitt hinweg auf. Die Ummantelung im Übertragungsabschnitt ist dicker als die Ummantelung im Sensorabschnitt und die Dicke der Ummantelung im Übergangsabschnitt ändert sich nach und nach zwischen der Dicke der Ummantelung im Übertragungsabschnitt und der Dicke der Ummantelung im Sensorabschnitt.
- Diese Erfindung stellt eine langgestreckte Strahlungsübertragungsfaser für spektroskopische Untersuchungen bereit, umfassend einen Übertragungsabschnitt, einen Übergangsabschnitt mit sich verjüngender Gestalt und einen Sensorabschnitt mit kleinerem Durchmesser als der Übertragungsabschnitt, wobei der Übertragungsabschnitt, der Übergangsabschnitt und der Sensorabschnitt einen durchgehenden Kernabschnitt und eine durchgehende Ummantelung um den Kernabschnitt über den gesamten Übertragungsabschnitt, Übergangsabschnitt und Sensorabschnitt hinweg aufweisen, wobei die Ummantelung im Übertragungsabschnitt dicker als die Ummantelung im Sensorabschnitt ist und sich die Dicke der Ummantelung im Übergangsabschnitt nach und nach zwischen der Dicke der Ummantelung im Übertragungsabschnitt und der Dicke der Ummantelung im Sensorabschnitt ändert; wobei der Kernabschnitt des Sensorabschnitts einen Durchmesser im Bereich zwischen 15 und 1.000 Mikrometern und einen Brechungsindex größer als 1,5 aufweist, und der Übergangsabschnitt eine sich verjüngende Gestalt aufweist, wodurch ein Übergang von Licht mit einem Modus niedriger Ordnung in einer optischen Kern/Mantel-Faser mit geringer numerischer Apertur zu Licht mit einem Modus hoher Ordnung für evaneszentes Messen bewirkt wird, so daß die Zahl innerer Lichtreflexionen pro Einheitslänge im Sensorabschnitt höher als im Übertragungsabschnitt ist.
- Die Ummantelung im Übertragungsabschnitt hat vorzugsweise eine Dicke, die ausreichend ist, um das evaneszente Feld zu enthalten, und in einer Faser mit einer numerischen Apertur von 0,2 eine Dicke von mehr als zwei Wellenlängen bei dem für Analysezwecke verwendeten Wellenlängenbereich der Strahlung, während die Ummantelung im Sensorabschnitt eine derartige Dicke hat, daß das evaneszente Feld in die interessierenden Analysestoffe außerhalb der Faser eindringt und in einer Faser mit einer numerischen Apertur von 0,2 eine Dicke von weniger als zwischen ungefähr 0,2 und einer Wellenlänge bei dem für Analysezwecke verwendeten Wellenlängenbereich der Strahlung. Die Dicke der Ummantelung im Sensorabschnitt kann durch Ätzen mit einem geeigneten Ätzmittel, wie z. B. Kaliumhydroxid oder Fluorwasserstoff, verringert werden, oder durch mechanische Bearbeitung, wie durch Dehnen. Während die Faser bis zu einem halben Zentimeter kurz sein kann, besitzt die Faser in einer besonderen Ausführungsform eine Länge von wenigstens einem Meter und die Länge des Sensorabschnitts beträgt weniger als ungefähr 5% der Gesamtlänge der Faser.
- Der Sensorfaserkern besteht vorzugsweise aus einem Chalcogenidglas, wie z. B. Arsensulfid, Arsengermaniumselenid, Germaniumselentellur oder Germaniumarsenselentellur, einem Schwermetallfluoridglas, Quarzglas oder polykristallinen oder einkristallinen Materialien, wie z. B. Tallium, Bromhalogenid, Cäsiumhalogenid oder Silberhalogenid. Der Sensorkern besitzt einen Durchmesser von wenigstens 15 Mikrometern, aber weniger als 1 Millimeter und einen Brechnungsindex größer als 1,5. Vorzugsweise enthält die Faser eine Struktur zum Verändern der Modusstruktur des sich innerhalb der Faser ausbreitenden Lichstrahls, indem z. B. eine Faserspule mit verhältnismäßig kleinem Radius mit mehreren Windungen bereitgestellt wird oder indem der Sensorabschnitt des Kerns mit kleinerem Durchmesser gefertigt ist als der/die Übertragungsabschnitt(e) und der Sensorabschnitt durch (einen) konische(n) Übergangsabschnitt(e) mit dem/den Übertragungsabschnitt(en) verbunden wird.
- In einer besonderen Ausführungsform weist der Übertragungsabschnitt einen Chalcogenidglaskern mit einem Durchmesser von ungefähr 300 Mikrometern und eine Ummantelungsschicht aus Chalcogenidglas mit einer Dicke von ungefähr 20 Mikrometern auf; der Sensorabschnitt weist einen Kerndurchmesser von ungefähr 90 Mikrometern und eine Ummantelungsglasdicke von ungefähr 6 Mikrometern auf; der Sensorabschnitt hat eine Länge von ungefähr 8 Millimetern; und zwei sich verjüngende Übergangsabschnitte mit jeweils einer Länge von ungefähr 4 Millimetern. Die optische Faser hat im Übertragungsabschnitt eine numerische Apertur von 0,22, der Glaskern hat eine Glasübergangstemperatur von ungefähr 250ºC und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 175 · 10&supmin;&sup7; pro ºC, und einen Brechungsindex von 2,895 bei 10,6 Mikrometern; während die Glasummantelung eine Glasübergangstemperatur von ungefähr 200ºC, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 177 · 10&supmin;&sup7; pro ºC und einen Brechungsindex von 2,887 bei 10,6 Mikrometern aufweist. Die Ummantelungsschicht hat im Sensorabschnitt eine Dicke von 0,7 bis 1,1 Wellenlängen des Lichts in einem interessierenden Wellenlängenbereich von 4 bis 11 Mikron. Ein solcher als evaneszenter Sensor verwendeter Sensor hat Vorteile, wie z. B. die Vermeidung von Rauschen, welches durch das vollständige mechanische oder chemische Entfernen der Ummantelung vom Kern bei einem nicht ummantelten Sensor verursacht wird; Vermeidung des Rauschens und des Signalverlusts, welche dadurch verursacht werden, daß man einen reinen Kern-Sensorabschnitt mit einem Kern/Ummantelungs- Übertragungsabschnitt verbinden muß; Vermeidung interferierender Absorptionen durch Polymer-Ummantelungsmaterialien, die häufig bei reinen Kern-Übertragungsfasern verwendet werden; Vermeidung interferierender Absorptionen durch Flüssigkeits/Gas-Druckdichtungsmaterialien; und Ermöglichen eines leichten Übergangs von Licht mit einem Modus niedriger Ordnung in typischen optischen Kern/Ummantelungs-Fasern mit niedriger numerischer Apertur zu Licht mit einem Modus hoher Ordnung für evaneszentes Messen.
- Die Erfindung stellt ebenfalls ein Spektroskopiesystem bereit, umfassend eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Strahlungsstrahls, Vorrichtungen zur Spektralanalyse, eine langgestreckte Strahlungsübertragungsfaser zur Anordnung in einem interessierenden Material, umfassend einen Übertragungsabschnitt, einen Übergangsabschnitt mit sich verjüngender Gestalt und einen Sensorabschnitt mit kleinerem Durchmesser als der Übertragungsabschnitt, wobei der Übertragungsabschnitt, der Übergangsabschnitt und der Sensorabschnitt einen durchgehenden Kernabschnitt und eine durchgehende Ummantelung um den Kernabschnitt über den gesamten Übertragungsabschnitt, Übergangsabschnitt und Sensorabschnitt hinweg aufweisen, wobei die Ummantelung im Übertragungsabschnitt dicker als die Ummantelung im Sensorabschnitt ist und sich die Dicke der Ummantelung im Übergangsabschnitt nach und nach zwischen der Dicke der Ummantelung im Übertragungsabschnitt und der Dicke der Ummantelung im Sensorabschnitt ändert, und eine Kopplungsanordnung zum Koppeln der Übertragungsfaser mit der Quelle, um einen Strahl von Infrarotstrahlung durch die Faser zum Sensorabschnitt zu übertragen, und zum Koppeln der Faser mit der Analysevorrichtung zum Analysieren des Absorptionsmediums, in welchem der Sensorabschnitt angeordnet ist; wobei der Kernabschnitt des Sensorabschnitts einen Durchmesser im Bereich zwischen 15 und 1.000 Mikrometern und einen Brechungsindex größer als 1,5 aufweist, und der Übergangsabschnitt eine sich verjüngende Gestalt aufweist, wodurch ein Übergang von Licht mit einem Modus niedriger Ordnung in einer optischen Kern/Mantel-Faser mit geringer numerischer Apertur zu Licht mit einem Modus hoher Ordnung für evaneszentes Messen bewirkt wird, so daß die Zahl innerer Lichtreflexionen pro Einheitslänge im Sensorabschnitt größer als im Übertragungsabschnitt ist. Die Faserlänge kann von weniger als einem Zentimeter bis zu 10 Metern oder mehr betragen. Der Übertragungs- und der Sensorabschnitt haben einen durchgehenden Kernabschnitt und eine durchgehende Ummantelung um den Kernabschnitt über den gesamten Übertragungs- und Sensorabschnitt hinweg. Die Ummantelung im Übertragungsabschnitt ist dicker als die Ummantelung im Sensorabschnitt, und vorzugsweise hat der Sensorabschnitt des Kerns einen kleineren Durchmesser als der Übertragungsabschnitt und ist mit dem Übertragungsabschnitt durch einen konischen Übergangsabschnitt verbunden.
- Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich werden, in welchen:
- Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Evaneszente- Welle-Faseroptiksensors ist;
- Fig. 2 eine schematische Übersicht eines den Sensor von Fig. 1 verwendenden spektroskopischen Systems ist;
- Fig. 3 ein Graph mit normierten Spektren von 1,0%, 0,1% und 0,01% Aceton in Wasser ist, die mit einem spektroskopischen System des in Fig. 4 gezeigten Typs erhalten sind; und
- Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen anderer erfindungsgemäßer faseroptischer Sensorsysteme sind.
- Wie in der schematischen Darstellung in Fig. 1 gezeigt, enthält die optische Faser 10 einen Kernabschnitt 12 aus Germanium, Selen, Tellurchalcogenidglas (Ge&sub2;&sub5;&submin;&sub3;&sub5;, Se&sub1;&sub5;&submin;&sub2;&sub5;, Te&sub1;&sub0;&submin;&sub6;&sub0;) und eine Ummantelungsschicht 14 aus ähnlichem Chalcogenidglas mit einem hinzugefügten Arsenbestandteil zum Verringern des Brechungsindex des Ummantelungsglases (Ge&sub1;&sub0;&submin;&sub2;&sub5;, As&sub1;&sub0;&submin;&sub2;&sub5;, Se&sub1;&sub0;&submin;&sub4;&sub0;, Te&sub2;&sub0;&submin;&sub4;&sub5;). Die Faser 10 hat Übertragungsabschnitte 16, 18, Übertragungskernabschnitte 12T mit jeweils einem Außendurchmesser von ungefähr 295 Mikrometern und Übertragungsummantelungsabschnitte 14T mit jeweils einem Außendurchmesser von ungefähr 335 Mikrometern; einen Sensorabschnitt 20 mit einer Länge von ungefähr 7 Millimetern, einen Kern 12S mit einem Außendurchmesser von ungefähr 88 Mikrometern und eine Ummantelung 14S mit einem Außendurchmesser von ungefähr 100 Mikrometern; und Übergangsabschnitte 22, 24, in welchen sich der Durchmesser des Kerns 12 und die Dicke der Ummantelung 14 nach und nach ändern und einen geschmeidigen Übergang zwischen den Übertragungsabschnitten 16, 18 und dem Sensorabschnitt 20 bewirken.
- Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, breitet sich ein bei 30 angedeuteter Lichtstrahl im Sensorabschnitt 20 bei höheren Reflexionswinkeln aus (wodurch er dazu neigt, die evaneszente Welle weiter in das absorbierende Medium hinein auszubreiten, in welchem der Sensorabschnitt 20 angeordnet ist) und der Sensorabschnitt 20 mit kleinerem Durchmesser erzeugt mehr interne Reflexionen pro Einheitslänge der Faser 10.
- Die Faser 10 ist aus einer einzigen ummantelten Faser mit der Querschnittskonfiguration der Übertragungsabschnitte 16, 18 gefertigt. Die Kern/Ummantelungs-Geometrie der Faser und der Betrag des Ziehens müssen sorgfältig gesteuert werden, um das Enthalten der evaneszenten Welle im Übertragungsabschnitt zu gewährleisten, aber die Ausbreitung durch das Ummantelungsglas in den interessierenden Analysestoff bei den für die Analyse interessierenden Wellenlängen im Sensorabschnitt zu erlauben. Die Enden sind an einem Spanngerät befestigt, welches eine geringe Spannung auf die Faser ausübt; der Sensorabschnitt ist in einem Silika-Kapillarrohr mit einem Innendurchmesser von ungefähr 0,5 Millimetern und einer Länge von ungefähr 3 Zentimetern angeordnet, welches durch einen Heißluftstrahl mit niedriger Geschwindigkeit geheizt wird, bis ein dem Rohr benachbartes Thermoelement im Luftstrom eine Temperatur von wenigstens 320ºC über 15 Sekunden anzeigt. Die Spannung an der Faser wird schlagartig erhöht, indem ein Schrittmotor betätigt wird, um die Faser in einem Sekundenbruchteil um ungefähr 1 Zentimeter zu strecken, um einen Sensorabschnitt 20 mit verringertem Durchmesser und verringerter Ummantelungsdicke mit kegelstumpfförmigen Übergangsabschnitten 16, 18 zu erzeugen, wie in Fig. 1 schematisch angezeigt ist.
- Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Sensorabschnitt 20 der Faser 10 in einer Polypropylen-Analysezelle 40 angeordnet und an seinen Übergangsabschnitten 22, 24 mit dem faseroptischen Kernummantelungsübertragungseingabeabschnitt 16 bzw. Ausgabeabschnitt 18 verbunden. An den Eingabeübertragungsabschnitt 16 ist ein FTIR- Spektrometer 50 vom Michelson-Interferometertyp gekoppelt, welches eine lnfrarotquelle 54, einen Strahlteiler 56 und fokussierende Spiegel 58, 60 enthält. An den Ausgabeübertragungsabschnitt 18 ist ein MCT-(Quecksilber- Kadmium-Tellur) Detektor 62, ein Lock-In-Verstärker 64 und ein Ausgabeprozessor 66 gekoppelt, der eine Anzeige 68 enthält.
- Drei Lösungen von Aceton in Wasser mit Acetonkonzentrationen von 1,0, 0,1 und 0,01% wurden für die Analyse mit einem optischen Fasersystem des in Fig. 2 gezeigten Typs präpariert, wodurch ein 100-facher Bereich von Konzentrationen gegeben ist. Das System hatte eine Auflösung von 4 Wellenzahlen. Das System wurde in Luft rationiert, und dann wurde reines (HPLC-Grad) Wasser in Schiffchen 40 als Referenz verwendet, und das Spektrum eines 256-Scans mit einem einzigen Strahl wurde aufgenommen und im Prozessor 66 zur Referenzsubtraktion gespeichert. Die drei Proben wurden dann nacheinander untersucht und unter Verwendung von 256-Scans mit dem MCT-Detektor 62 und dem Prozessor 66 gedruckt.
- Fig. 3 zeigt die Kurve 80 für 1,0% Aceton, die Kurve 82 für 0,1% Aceton und die Kurve 84 für 0,01% Aceton (mit verschobenen Grundlinien zum Zweck der Darstellung). Jede Kurve zeigt Peaks 86, 88, 90 bei 1698, 1369 und 1238 Wellenzahlen, die für Aceton repräsentativ sind, wobei der 1%- 1698 Peak 86A ungefähr 6,467 Milliextinktionseinheiten beträgt, der 1369 Peak 88A ungefähr 4,081 Milliextinktionseinheiten beträgt und der 1238 Peak 90A ungefähr 4,854 Milliextinktionseinheiten beträgt; die Peaks 86B, 88B und 90B für 0,1% Aceton betragen ungefähr 1/10 des 1%-Aceton-Peaks -- d. h. der 1698 Peak 86B beträgt ungefähr 0,772 Milliextinktionseinheiten, der 1369 Peak 88B beträgt ungefähr 0,329 Milliextinktionseinheiten und der 1238 Peak 90B beträgt ungefähr 0,389 Milliabsorptionseinheiten. Die 0,01% Acetonprobe hatte einen 1698 Peak 80C mit ungefähr 0,066 Milliextinktionseinheiten, einen 1369 Peak 88C mit ungefähr 0,034 Milliextinktionseinheiten und einen 1238 Peak 90C mit ungefähr 0,039 Milliextinktionseinheiten. Es wird deutlich sein, daß eine Vielzahl anderer Materialien, wie z. B. die im Stevenson U. S. Patent 4,798,954 gezeigten Verbundmaterialien, ebenso analysiert oder untersucht werden können.
- In einer anderen, in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform enthält die Faser 10 einen einzigen Übertragungsabschnitt 16' mit einer Reflektoranordnung 92 am entfernten Ende des Sensorabschnitts 20', so daß der durch die Extinktion beim Sensor 20' veränderte übertragene Strahl durch den Abschnitt 16' zu einem Strahlteiler 94 zurückreflektiert wird; und in einer anderen, in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform, hat die Faser 10" über ihre Länge eine durchgehende Ummantelung mit einer Reihe von Sensorabschnitten 20", wo die Ummantelungsdicke geringer als in den dazwischenliegenden Übertragungsabschnitten 16" ist, und mit einer Ummantelung abgestufter Dicke in den Übergangsabschnitten 22", 24".
- Während besondere Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, werden andere Ausführungsformen dem Fachmann klar sein, und es ist daher nicht beabsichtigt, daß die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsformen oder deren Details beschränkt ist, und Abweichungen hiervon können im Bereich der Erfindung vorgenommen werden. Beansprucht wird:
- TEXT FEHLT
Claims (16)
1. Langgestreckte Strahlungsübertragungsfaser (10) für spektroskopische
Untersuchungen, umfassend einen Übertragungsabschnitt (16, 18),
einen Übergangsabschnitt (22, 24) mit sich verjüngender Gestalt und
einen Sensorabschnitt (20) mit kleinerem Durchmesser als der
Übertragungsabschnitt, wobei der Übertragungsabschnitt, der
Übergangsabschnitt und der Sensorabschnitt einen durchgehenden
Kernabschnitt (12) und eine durchgehende Ummantelung (14) um den
Kernabschnitt über den gesamten Transmissionsabschnitt,
Übergangsabschnitt und Sensorabschnitt hinweg aufweisen, wobei die
Ummantelung im Übertragungsabschnitt dicker als die Ummantelung
im Sensorabschnitt ist und sich die Dicke der Ummantelung im
Übergangsabschnitt nach und nach zwischen der Dicke der
Ummantelung im Übertragungsabschnitt und der Dicke der
Ummantelung im Sensorabschnitt ändert, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kernabschnitt des Sensorabschnitts einen Durchmesser im Bereich
zwischen fünfzehn und eintausend Mikrometern und einen
Brechungsindex größer als 1,5 aufweist, und daß der
Übergangsabschnitt eine sich verjüngende Gestalt aufweist, wodurch
ein Übergang von Licht mit einem Modus niedriger Ordnung in einer
optischen Kern/Mantel-Faser mit geringer numerischer Apertur zu Licht
mit einem Modus hoher Ordnung für evaneszentes Messen bewirkt
wird, so daß die Zahl innerer Lichtreflexionen pro Einheitslänge im
Sensorabschnitt höher als im Übertragungsabschnitt ist.
2. Spektroskopiesystem, umfassend eine Strahlungsquelle (50) zum
Erzeugen eines Strahlungsstrahls, Vorrichtungen zur Spektralanalyse
(62 bis 68), eine langgestreckte Strahlungsübertragungsfaser (10) zur
Anordnung in einem interessierenden Material, umfassend einen
Übertragungsabschnitt (16, 18), einen Übergangsabschnitt (22, 24)
mit sich verjüngender Gestalt und einen Sensorabschnitt (20) mit
kleinerem Durchmesser als der Übertragungsabschnitt, wobei der
Übertragungsabschnitt, der Übergangsabschnitt und der
Sensorabschnitt einen durchgehenden Kernabschnitt (12) und eine
durchgehende Ummantelung (14) um den Kernabschnitt über den
gesamten Übertragungsabschnitt, Übergangsabschnitt und
Sensorabschnitt hinweg aufweisen, wobei die Ummantelung im
Übertragungsabschnitt dicker als die Ummantelung im Sensorabschnitt
ist und sich die Dicke der Ummantelung im Übergangsabschnitt nach
und nach zwischen der Dicke der Ummantelung im
Übertragungsabschnitt und der Dicke der Ummantelung im
Sensorabschnitt ändert, und eine Kopplungsanordnung zum Koppeln
der Übertragungsfaser mit der Quelle, um einen Strahl von
Infrarotstrahlung durch die Faser zum Sensorabschnitt zu übertragen,
und zum Koppeln der Faser mit der Analysevorrichtung zum
Analysieren des Absorptionsmediums, in welchem der Sensorabschnitt
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernabschnitt des
Sensorabschnitts einen Durchmesser im Bereich zwischen fünfzehn
und eintausend Mikrometern und einen Brechungsindex größer als 1,5
aufweist, und daß der Übergangsabschnitt eine sich verjüngende
Gestalt aufweist, wodurch ein Übergang von Licht mit einem Modus
niedriger Ordnung in einer optischen Kern/Mantel-Faser mit geringer
numerischer Apertur zu Licht mit einem Modus hoher Ordnung für
evaneszentes Messen bewirkt wird, so daß die Zahl innerer
Lichtreflexionen pro Einheitslänge im Sensorabschnitt höher als im
Übertragungsabschnitt ist.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle vom
Typ eines Michelson-Interferometers (50) ist und einen Strahl von
Infrarotstrahlung erzeugt.
4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analysevorrichtung vom Fourier-Transformations-Typ ist.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Faser (10) eine Länge von wenigstens
ungefähr einem Meter aufweist und daß der Sensorabschnitt (20) eine
Länge aufweist, die weniger als ungefähr fünf Prozent der Gesamtlänge
der Faser beträgt.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ummantelung (14) im Sensorabschnitt (20)
eine Dicke von weniger als ungefähr einer Wellenlänge in dem für
Analysezwecke verwendeten Wellenlängenbereich der Strahlung
aufweist.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ummantelung (14) im Übertragungsabschnitt
(16, 18) eine Dicke aufweist, die ausreichend ist, um das evaneszente
Feld bei den Wellenlängen, die von Interesse für die Analyse sind, zu
enthalten.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke der Ummantelung (14) im
Übertragungsabschnitt (16, 18) wenigstens zweimal die Dicke der
Ummantelung im Sensorabschnitt (20) beträgt.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kern (12) aus der Gruppe ausgewählt ist,
bestehend aus Chalcogenidglas wie Arsensulfid,
Arsengermaniumselenid, oder Germaniumselentellur,
Schwermetallfluoridglas, Oxidglas wie Quarzglas, und polykristallinen
oder einkristallinen Materialien wie Thallium, Bromhalogenid,
Cäsiumhalogenid oder Silberhalogenid.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Übertragungsabschnitt (16, 18) einen Kern
(12) aus Chalcogenidglas mit einem Durchmesser von ungefähr
dreihundert Mikrometern und eine Ummantelungsschicht (14) aus
Chalcogenidglas mit einer Dicke von ungefähr zwanzig Mikrometern
aufweist; daß der Sensorabschnitt (20) einen Durchmesser von
ungefähr neunzig Mikrometern und eine Ummantelungsglasdicke von
ungefähr sechs Mikrometern aufweist; daß der Sensorabschnitt eine
Länge von ungefähr acht Millimetern aufweist; und daß jeder sich
verjüngende Übergangsabschnitt (22, 24) eine Länge von ungefähr vier
Millimetern aufweist.
11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es im Längsverlauf der Faser (10) eine Mehrzahl
von Sensorabschnitten (20) in Reihe gibt, wobei die Sensorabschnitte
durch eine Reihe getrennter Übertragungsabschnitte (16, 18)
voneinander getrennt sind.
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ummantelung (14) in den
Übertragungsabschnitten (16, 18) eine Dicke aufweist, die ausreichend
ist, um das evaneszente Feld bei den Wellenlängen, die für die Analyse
von Interesse sind, zu enthalten, und daß die Ummantelung in den
Sensorabschnitten (20) ausreichend dünn ist, um bei den
Wellenlängen, die für die Analyse von Interesse sind, ein Eindringen des
evaneszenten Felds außerhalb der Faser in die Analyseprobe zu
erlauben, in welcher die Faser angeordnet ist.
13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner
eine Reflektoranordnung (92) an dem Ende des Sensorabschnitts (20)
umfaßt, welches von dem Übertragungsabschnitt entfernt ist.
14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensorabschnitt des Kerns (12) einen
kleineren Durchmesser als der Übertragungsabschnitt aufweist.
15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kern (12) und die Ummantelung (14)
Glasübergangstemperaturen aufweisen, die ungefähr 100ºC
auseinander liegen, und thermische Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen, die weniger als ungefähr 1 · 10&supmin;&sup6;/ºC auseinander liegen.
16. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ummantelung (14) im Sensorabschnitt (20) in
dem für die Analysezwecke verwendeten Wellenlängenbereich der
Strahlung eine Dicke im Bereich von 0,2 bis eine Wellenlänge aufweist.
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