DD143138A3 - ARRANGEMENT FOR LASER SPECTROSCOPIC ABSORPTION DETECTION - Google Patents
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Description
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Anordnung zum laserspektroskoplschen AbsorptionsnachweisArrangement for laser spectroscopic absorption detection
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung ist anwendbar in der Laserspektroskopie für Substanzuntersuchungen. Sie bewirkt, eine. Erhöhung der Uachweisempfindlichkeit von Atomen und Molekülen.The invention is applicable in laser spectroscopy for substance investigations. It causes a. Increasing the sensitivity of atoms and molecules.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Es sind Anordnungen zur Spektroskopie im Resonator bekannt. Dabei ist die Absorptionskuvette im Laserresonator angeordnet, wodurch ein vielfacher Durchgang der Laserstrahlung durch die Küvette und damit eine Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit erreicht wird. Ferner ist ein Resonator bekannt, der aus einem Resonatorspiegel eines Halbleiterlaser, insbesondere eines Injektionslasers, auf der einen Seite und einem Beugungsgitter auf der anderen Seite besteht. Dadurch ist ein Resonatorsystem gegeben, das aus einem aktiven Resonator, begrenzt durch die Resonatorspiegel des Halbleiterlasers, und einem passiven Resonator, begrenzt durch den an den passiven Resonator grenzenden Resonatorspiegel, der total entspiegelt ist, und dem Beugungsgitter bestehtArrangements for spectroscopy in the resonator are known. The absorption cuvette is arranged in the laser resonator, whereby a multiple passage of the laser radiation through the cuvette and thus an increase in detection sensitivity is achieved. Furthermore, a resonator is known which consists of a resonator mirror of a semiconductor laser, in particular an injection laser, on one side and a diffraction grating on the other side. This results in a resonator system consisting of an active resonator, bounded by the resonator mirrors of the semiconductor laser, and a passive resonator delimited by the resonator mirror bordering the passive resonator, which is totally antireflected, and the diffraction grating
£ J.A. Rossi u.a., "High-power narrow-line width operation of GaAs diode lasers" Appl.PhyScLett., Vol. 23, No. 1, 1 July 1973]? Mit einem solchen Resonator ist in Abhängigkeit von der Anzahl der ausgeleuchteten Gitterstriche ein bestimmter spektraler Bereich selektierbar und über einen großen spektralen Bereich des optischen Gewinns des Halbleiterlasers abstiiambar.£ J.A. Rossi et al., "High-power narrow-line width operation of GaAs diode lasers" Appl.PhyScLett., Vol. 1, 1 July 1973]? With such a resonator, a specific spectral range can be selected as a function of the number of illuminated grating lines and dispensed over a large spectral range of the optical gain of the semiconductor laser.
Ein solcher Resonator eignet sich wegen seiner geringen Resonatorgüte nicht für die Absorptionsspektroskopie im Resonator, weil die praktisch erreichbare Küvettenverlängerung sehr gering ist und damit für die Erhöhung der Uachv/eisempfindlichkeit keine Bedeutung hat. Eine Anwendung eines solchen abstimmbaren Resonators in der Absorptionsspektroskopie ist nicht bekannt, da die Halbwertsbreiten der Resonatormoden auf Grund der geringen Resonatorgüten groß sind und sich für laserspektroskopische Anwendungen, wie S9 B. für die hü'chs tauf lösende Spektroskopie, nicht eignen.Because of its low resonator quality, such a resonator is not suitable for absorption spectroscopy in the resonator, because the cuvette extension which can be achieved in practice is very small and thus has no significance for increasing the Uachv / cirrus sensitivity. An application of such a tunable resonator in the absorption spectroscopy is not known, since the half-widths of the resonator modes are large due to the low resonator and are not suitable for laser spectroscopic applications, such as S 9 B. for the hü'chs tauf dissolving spectroscopy.
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Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist es, Halbleiterlaser insbesondere für die Spektroskopie innerhalb des Resonators anwenden und damit die ITachweisempfindlichkeit erhöhen zu können.The aim of the invention is to apply semiconductor lasers, in particular for the spectroscopy within the resonator and thus to be able to increase the ITachweisempfindlichkeit.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, .eine für den Einsatz eines Halbleiterlasers in der Absorptionsspektroskopie im Resonator geeignete Anordnung anzugeben. Die Aufgabe wird bei einer Anordnung zum laserspektroskopischen Absorptionsnachweis mit .einem Halbleiterlaser, dessen Resonatorsystem aus einem optisch aktiven Resonator, der beiderseits durch einen Spiegel begrenzt ist, und einem an den aktiven Resonator angrenzenden passiven Resonator, der auf der einen Seite durch einen Spiegel des aktiven Resonators und auf der anderen Seite durch ein Beugungsgitter begrenzt ist, besteht, als Anregungslichtquelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reflexionskoeffizient des das Resonatorsystem begrenzenden Spiegels R1^I ist, der Reflexionskoeffizient des den passiven Resonator begrenzenden Spiegels R1 » Rp >0 ist, der Reflexionskoeffizient des Beugungsgitters Ro » R2 ist, daß das absorbierende Medium innerhalb des passiven Resonators oder außerhalb des Resonatorsystems angeordnet ist und daß eine nachweiseinrichtung entweder hinter dem optisch aktiven Resonator als Kombination aus Spektrometer und Registriervorrichtung oder hinter dem passiven Resonator als Registriervorrichtung ohne Spektrometer angeordnet ist.The object of the invention is to provide a suitable arrangement for the use of a semiconductor laser in absorption spectroscopy in the resonator. The object is in an arrangement for the laser spectroscopic absorption detection with .A semiconductor laser whose resonator system of an optically active resonator, which is bounded on both sides by a mirror, and a passive resonator adjacent to the active resonator, on the one side by a mirror of the active Resonator and on the other side is limited by a diffraction grating is, as an excitation light source according to the invention solved in that the reflection coefficient of the resonator system limiting mirror R 1 ^ I, the reflection coefficient of the passive resonator limiting mirror R 1 »Rp> 0, the reflection coefficient of the diffraction grating Ro »R2 is that the absorbing medium is arranged inside the passive resonator or outside the resonator system and that a detection device either behind the optically active resonator as a combination of spectrometer and recording device or behind the passive resonator is arranged as a recording device without spectrometer.
Durch Selektion eines schmalen spektralen Bereiches mit dem Beugungsgitter ist die Wellenlänge auf die jeweilige Absorptionslinie im spektralen Bereich des optischen Gewinns einstellbar und kann durch Wahl der Länge des passiven Resonators und der Anzahl der ausgeleuchtetenBy selecting a narrow spectral range with the diffraction grating, the wavelength can be adjusted to the respective absorption line in the spectral range of the optical gain and can be selected by selecting the length of the passive resonator and the number of illuminated ones
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Gitterstriche breitbandiger oder auch schmalbandiger als die jeweilige Absorption eingestellt werden. Durch einen bestimmten Absorptionsverlust, der entsprechend seinem absoluten Y/ert aus dem Absorptionsverlust eines absorbierenden Mediums oder aus demselben und einem zusätzlichen Absorptionsverlust besteht, wird die Resonatorgüte des Resonators mit den Reflexionskoeffizienten R- und Ro soweit verringert, daß die Moden des optisch aktiven Resonators mit den Reflexionskoeffizienten R| und Rp anschwingen und durch BÄodenkonkurrenz die Intensität der spektral selektierten Moden/Mode nichtlinear verringert wird und dadurch sich die Nachweisempfindlichkeit wesentlich erhöht, wobei die Absorption breitbandiger als der spektralselektierte Bereich sein muß. Pur den Pail, daß die Absorption schmalbandiger als der spektralselektierte Bereich ist, tritt durch Modenkonkurrenz eine Intensitätsverringerung und eine Verbreiterung des spektralselektierten Bereiches auf, die eine Erhöhung der üaehweisempfindlichkeit bewirken, und wird der bestimmte Absorptionsverlust erreicht, so tritt zusätzlich eine nichtlineare Intensitätsverringerung auf, die die Nachweisempfindlichkeit erhöht.Grid lines broadband or narrow band than the respective absorption can be set. By a certain absorption loss, which consists of the absorption loss of an absorbing medium or the same and an additional absorption loss according to its absolute value, the resonator quality of the resonator with the reflection coefficients R and Ro is reduced so far that the modes of the optically active resonator with the reflection coefficient R | and Rp and rock-ground competition, the intensity of the spectrally selected modes / mode is non-linearly reduced and thereby the detection sensitivity increases substantially, the absorption must be broadband than the spectrally selected area. For the sake of the absorption being narrower than the spectrally selected region, by mode competition an intensity reduction and broadening of the spectrally selected region which cause an increase in the sensitivity to readiness occurs, and if the certain absorption loss is reached, a nonlinear intensity reduction occurs in addition increases the detection sensitivity.
Eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gegeben, daß sich das absorbierende Medium im optisch passiven Resonator befindet, der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R.J < 1 aufweist und die Nachweiseinrichtung der absorbierten Intensität als Kombination aus Spektrometer und Registriervorrichtung hinter dem optisch aktiven Resonator angeordnet ist.A variant of the arrangement according to the invention is given by the fact that the absorbing medium is in the optically passive resonator, the mirror limiting the resonator system has a reflection coefficient of RJ <1 and arranged the detector of absorbed intensity as a combination of spectrometer and recording device behind the optically active resonator is.
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Bei einer anderen Anordnung nach der Erfindung befindet sich das absorbierende Medium ebenfalls im optisch passiven Resonator. Der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel weist einen Reflexionskoeffizienten von R1 < auf. Als Nachweiseinrichtung ist eine Registriervorrichtung hinter dem geeichten spektralselektiv und abstimmend wirkenden Beugungsgitter angeordnet. So ist ein Nachweis der durch eine andere Beugungsordnung ausgekoppelten Laserstrahlung ohne Spektrometer möglich. Eine Absorptionsspektroskopie durch einen abstimmbaren Halbleiterlaser ohne Spektrometer wird auch ermöglicht, wenn das absorbierende Medium hinter dem Beugungsgitter außerhalb des Resonatorsystems und die Nachweiseinrichtung der Absorption als Registriervorrichtung hinter dem absorbierenden Medium angeordnet ist, wobei der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R1 ·< 1 aufweist.In another arrangement according to the invention, the absorbing medium is also in the optically passive resonator. The mirror delimiting the resonator system has a reflection coefficient of R 1 <. As a detection device, a recording device is arranged behind the calibrated spectrally selective and tuning-acting diffraction grating. Thus, a proof of coupled out by another diffraction order laser radiation without spectrometer is possible. Absorption spectroscopy by a tunable semiconductor laser without a spectrometer is also made possible when the absorbing medium is arranged behind the diffraction grating outside the resonator system and the detection device for absorption as a recording device behind the absorbing medium, the mirror bounding the resonator system having a reflection coefficient of R 1 .times.1 having.
Eine Anordnung für einen Einsatz in der höchstauflösenden Absorptionsspektroskopie ist dadurch gegeben, daß der das Resonatorsystem begrenzende Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von R.J = 1 aufweist, sich das absorbierende Medium-innerhalb oder außerhalb des Resonatorsystems befindet und die Nachweiseinrichtung als Registriervorrichtung hinter dem passiven Resonator angeordnet ist. Durch die totale Verspiegelung des das Resonatorsystem begrenzenden Spiegels wird die Resonatorgüte des Resonatorsystems und damit die Halbwertsbreite der abstimmbaren und selektierten Moden/Mode wesentlich verringert und somit eine Anwendung z. B. in der höchstauflösenden Absorptionsspektroskopie innerhalb und außerhalb des Resonators möglich.An arrangement for use in the high-resolution absorption spectroscopy is given by the fact that the mirror limiting the resonator system has a reflection coefficient of R.J = 1, the absorbing medium is inside or outside the resonator system and the detection device is arranged as a recording device behind the passive resonator. Due to the total mirroring of the resonator system limiting mirror the resonator quality of the resonator system and thus the half-width of the tunable and selected modes / mode is substantially reduced and thus an application z. B. in the high-resolution absorption spectroscopy inside and outside the resonator possible.
Durch eine weitere Anordnung des beschriebenen Resonatorsystems, in der der einseitig total verspiegelte und anderseitig teilentspiegelte Halbleiterlaser sich in einer Druckkammer befinde't, wird der optische Gewinn des Halbleiterlasers über einen großen spektralen Bereich abgestimmt.By a further arrangement of the described resonator system, in which the semiconductor mirror laser, which is totally mirrored on one side and partially mirrored on the other side, is located in a pressure chamber, the optical gain of the semiconductor laser is tuned over a large spectral range.
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Die Peinabstirrjriung dieses Resonatorsystems erfolgt dann, wie bereits beschrieben, durch das Beugungsgitter, und eine Absorptionsspektroskopie innerhalb: und auch außerhalb des Resonators ist mit höchster Auflösung, hoher nachweisempfindlichkeit über einen' großen Abstimmbereich ohne weitere spektrometrische Hilfsmittel mit dieser Anordnung realisierbar.The Peinabstirrjriung this resonator then takes place, as already described, through the diffraction grating, and an absorption spectroscopy inside: and outside the resonator is realized with highest resolution, high detection sensitivity over a 'large tuning range without further spectrometric aids with this arrangement.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments. In the accompanying drawing show:
Fig» 1 : eine Anordnung mit innerhalb des Resonatorsystems eines Halbleiterlasers befindlichem absorbierenden Medium und hinter dem optisch aktiven Resonator angeordneter Nachweis-Vorrichtung,FIG. 1 shows an arrangement with an absorbing medium located within the resonator system of a semiconductor laser and with a detection device arranged behind the optically active resonator, FIG.
Fig. 2: eine Anordnung mit innerhalb des Resonatorsystems befindlichem absorbierenden Medium und hinter dem Beugungsgitter des optisch • passiven Resonators angeordneter Registriervorrichtung ohne Spektrometer,FIG. 2 shows an arrangement with absorbent medium located inside the resonator system and without spectrometer behind the diffraction grating of the optically passive resonator; FIG.
Fig. 3: eine Anordnung, bei der hinter dem Beugungsgitter des optisch passiven Resonators das absorbierende Medium und eine Registriervorrichtung ohne Spektrometer angeordnet sind,3 shows an arrangement in which behind the diffraction grating of the optically passive resonator, the absorbing medium and a recording device are arranged without spectrometer,
Fig. 4: eine Anordnung, bei der der das Resonatorsystem begrenzende Resonatorspiegel des optisch aktiven Resonators total verspiegelt ist, das absorbierende Medium sich innerhalb oder außerhalb des Resonatorsystems befindet und die Registriervorrichtung ohne Spektrometer hinter dem passiven Resonator angeordnet ist,4 shows an arrangement in which the resonator mirror defining the resonator mirror of the optically active resonator is totally mirrored, the absorbing medium is located inside or outside the resonator system and the recording apparatus without spectrometer is arranged behind the passive resonator,
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Pig. 5: eine Anordnung nach Fig. 4, bei der zusätzlich der aktive optische Resonator in einer Druckkammer angeordnet ist.Pig. 5 shows an arrangement according to FIG. 4, in which additionally the active optical resonator is arranged in a pressure chamber.
Bei der Anordnung in Pig. 1 wird das Resonatorsystem C^ des Halbleiterlasers L aus dem optisch aktiven Resonator C-j mit den Laserspiegeln S-| und Sp, die den Reflexionskoeffizienten R^ und Rp haben, und dem optisch passiven Resonator Cp mit dem Reflexionskoeffizienten Ro für den Laserspiegel Sp und einem spektralselektiv und abstimmend wirkenden Beugungsgitter S^ mit dem Reflexionskoeffizienten R-3 gebildet, wobei gelten muß, daß R-j , Ro» R2 sind,.When arranged in Pig. 1, the resonator system C ^ of the semiconductor laser L from the optically active resonator Cj with the laser mirrors S- | and Sp, which have the reflection coefficients R ^ and Rp, and the optically passive resonator Cp with the reflection coefficient Ro for the laser mirror Sp and a spectrally selective and tuning-acting diffraction grating S ^ with the reflection coefficient R-3, where Rj, Ro » R 2 are ,.
Das absorbierende Medium K befindet sich im passiven Resonator Co. Die durch Modenkonkurrenz beeinflußten Absorptionsverluste werden über ein Spektrometer M und eine Registriervorrichtung R nachgewiesen. Bei der in Pig. 2 gezeigten Anordnung wird das gleiche Resonatorsystem C-, wie in Pig. 2 verwendet, wobei der Nachweis der durch das im passiven Resonator Cp befindliche absorbierende Medium K erfolgten Absorptionsverluste durch Auskopplung der Laserstrahlung über das geeichte spektralselektiv und abstimmend wirkende Beugungsgitter S^ durch eine andere BeugungsOrdnung mittels einer Registriervorrichtung R ohne Benutzung eines Spektrometer erfolgt.The absorbing medium K is in the passive resonator Co. The absorption losses influenced by mode competition are detected via a spectrometer M and a recording device R. When in Pig. 2, the same resonator system C-, as in Pig. 2, wherein the detection of the absorption in the passive resonator Cp absorption medium K done absorption losses by coupling the laser radiation on the calibrated spectrally selective and tuning diffraction grating S ^ by another diffraction order by means of a recording device R without using a spectrometer.
Die Anordnung nach Pig. 3 weist das in Pig. 1 dargestellte und vorstehend beschriebene Resonatorsystem C-, auf.The arrangement after Pig. 3 has that in Pig. 1 and described above resonator C-, on.
Dabei befindet sich das absorbierende Medium K zwischen dem geeichten, spektralselektiv und abstimmend wirkenden Beugungsgitter S^ und einer die Absorption nachweisenden Registriervorrichtung R. Der Absorptionsnachweis erfolgt ohne die Benutzung eines Spektrometer^ <> Bei der Anordnung nach Pig. 4 wird das Resonatorsystem C-, verwendet, wobei der Resonatorspiegel S-] total verspiegelt ist. Das absorbierende Medium K befindet sich innerhalbIn this case, the absorbing medium K is between the calibrated, spectrally selective and tuning-acting diffraction grating S ^ and the absorption-detecting recording device R. The absorption detection is carried out without the use of a spectrometer ^ <> In the arrangement of Pig. 4, the resonator system C-, with the resonator mirror S-] is totally mirrored. The absorbing medium K is inside
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des passiven Resonators Cp oder außerhalb des', Resonatorsysterns C-,. Der Absorptionsnachweis bzw. die Absorption und der Absorptionsnachweis erfolgt durch Auskopplung der Laserstrahlung über das geeichte, spektralselektiv und abstimmend wirkende Beugungsgitter' S^ durch eine andere Beugungsordnung mit einer Registriervorrichtung R ohne Benutzung eines Spektrometers.of the passive resonator Cp or outside of the resonator system C-. The absorption detection or the absorption and the absorption detection is carried out by coupling the laser radiation through the calibrated, spectrally selective and tuning-acting diffraction grating 'S ^ by another diffraction order with a recording device R without the use of a spectrometer.
Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung weist das gleiche Resonatorsysteni CU wie die Anordnung nach Pig. 3 auf. Auch hier ist der Resonatorspiegel S^ total verspiegelt. Das absorbierende Medium K befindet sich innerhalb des passiven Resonators Cp oder außerhalb des Resonatorsystems Co.The arrangement shown in FIG. 5 has the same resonator system CU as the arrangement according to Pig. 3 on. Again, the resonator mirror S ^ is totally mirrored. The absorbing medium K is located inside the passive resonator Cp or outside the resonator system Co.
Der Absorptionsnachweis bzw. die Absorption und der Absorptionsnachweis erfolgt durch Auskopplung der Laserstrahlung über das geeichte, spektralselektiv und feinabstimmend wirkende Beugungsgitter S-, durch eine andere BeugungsOrdnung mit einer Registriervorrichtung R ohne Benutzung eines Spektrometers. Der optisch aktive Resonator Cp ist in einer Druckkammer D angeordnet. Durch Druckänderung wird der optische Gewinn, des Halbleiterlasers L frequenzmäßig definiert abgestimmt. Die erfindungsgemäßen Anordnungen ermöglichen erstmalig die Anwendung von Haibleiterlasern in der Absorptionsspektroskopie im Resonator mit hoher/Nachweisempfindlichkeit, eine Abstimmung der Wellenlänge über einen großen spektralen Bereich mit hoher temperaturunabhängiger Genauigkeit und einen Einsatz in der hoch- und höchstauflösenden Absorptionsspektroskopie mit einfachen Registriereinrichtungen ohne zusätzliche spektrometrische Hilfsmittel.The absorption detection or the absorption and the absorption detection is carried out by coupling the laser radiation through the calibrated, spectrally selective and fine-tuning acting diffraction grating S-, by another diffraction order with a recording device R without the use of a spectrometer. The optically active resonator Cp is arranged in a pressure chamber D. By changing the pressure, the optical gain of the semiconductor laser L is tuned in terms of frequency. The arrangements according to the invention make possible for the first time the use of semiconductor lasers in absorption spectroscopy in the resonator with high / detection sensitivity, a tuning of the wavelength over a large spectral range with high temperature-independent accuracy and use in high-resolution and high-resolution absorption spectroscopy with simple registration devices without additional spectrometric aids.
Die Aufgabe des Nachweises von Atomen und Molekülen und ihren elektronischen Strukturen mit diesen Anordnungen wird mit einem direkt anregbaren Laser durch einfache Stromanregung gelöst.The task of detecting atoms and molecules and their electronic structures with these arrangements is achieved with a directly excitable laser by simple current excitation.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe ergibt sich die Möglichkeit, in einfacher Welse einen vielseitigen Einsatz der Absorptionsspektroskopie zu realisieren, z„ B. in der Analysenmeßtechnik mit hoher Nachweisempfindlichkeit und hohem Auflösungsvermögen, bei der Kontrolle und beim nachweis chemischer Prozesse in der Industrie und in der Umweltkontrolle und Umweltforschung.With the solution of the problem according to the invention, it is possible to realize a versatile use of absorption spectroscopy in simple catfish, for example in analytical measuring technology with high detection sensitivity and high resolution, in the control and detection of chemical processes in industry and in the Environmental control and environmental research.
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