DE10200029A1 - Höchstempfindlicher Gasdetektor - Google Patents

Höchstempfindlicher Gasdetektor

Info

Publication number
DE10200029A1
DE10200029A1 DE2002100029 DE10200029A DE10200029A1 DE 10200029 A1 DE10200029 A1 DE 10200029A1 DE 2002100029 DE2002100029 DE 2002100029 DE 10200029 A DE10200029 A DE 10200029A DE 10200029 A1 DE10200029 A1 DE 10200029A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
gas
laser
highly sensitive
cell
absorption
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE2002100029
Other languages
English (en)
Other versions
DE10200029B4 (de
Inventor
Valerie M Baev
Arnold Stark
Peter E Toschek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE10200029A priority Critical patent/DE10200029B4/de
Publication of DE10200029A1 publication Critical patent/DE10200029A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10200029B4 publication Critical patent/DE10200029B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Höchstempfindlicher Gasdetektor, mittels eines Vielmodenlasers, in dessen Resonator das nachzuweisende Gas eingebracht wird, so dass seine Lichtemission mit dem Absorptionsspektrum des Gases kodiert ist, und mit einer externen, vorzugsweise photoakustischen Nachweis-Zelle und/oder einem phasenempfindlichen Gleichrichter und/oder einem Ausgabegerät zur Messung des Absorptionssignals bzw. der Gaskonzentration, gekennzeichnet durch eine Modulationseinrichtung zum Modulieren des Emissionsspektrums des Lasers und/oder der Absorption des Probegases im Resonator und/oder in einer externen Zelle und eine Einrichtung zur Aufnahme des Messsignals auf der Modulationsfrequenz.

Description

Eine der wichtigsten Methoden zum Nachweis von Spurengasen ist die Absorptionsspektroskopie. Bei dieser Methode wird die Veränderung des Spektrums von Licht nach dessen Durchgang durch den Absorber gemessen. Das Transmissionsspektrum I(w) enthält Information über den Absorptionskoeffizienten κ(w) des Probegases gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz: I(w) = I0(w)exp[-κ(w)l], wobei l die Länge der Absorptionszelle ist. Der Absorptionskoeffizient wird durch die Konzentration der Absorberteilchen n und deren Absorptionsquerschnitt σ(w) bestimmt: κ(w) = nσ(w). Die Messung des Absorptionssignals K = ln(I0/I) ≅ (I0-I)/I0 erlaubt bei bekanntem Querschnitt und bekannter Absorptionslänge die Konzentration des Probegases zu bestimmen: n = K/σl. Die geringste nachweisbare Konzentration wird dabei durch die Länge des Absorptionweges (Systemempfindlichkeit) und durch die kleinste nachweisbare relative Abschwächung des Lichtes (I0-I)/I0 (Nachweisgrenze) bestimmt. Die geringste nachweisbare Konzentration kann durch die Erhöhung der Systemempfindlichkeit und durch die Verminderung der Nachweisgrenze reduziert werden.
Die Systemempfindlichkeit wurde bisher z. B. durch die Verwendung von Vielfachreflexionszellen [1] oder passiven optischen Resonatoren erhöht ("cavity ringdown spectroscopy") [2]. Bei diesen Methoden beträgt die erreichbare effektive Absorptionslänge einige Kilometer. Sie wird durch Lichtverluste an den Spiegeln begrenzt. Noch höhere Systemempfindlichkeit wird durch die Verwendung von aktiven optischen Resonatoren erreicht (ICAS - Intracavity Laser Absorption Spectroscopy) [3], wie auf dem Bild 1 dargestellt. Bei diesem Verfahren befindet sich der Probegas (103) im Resonator eines Vielmodenlasers. Die breitbandigen Lichtverluste an den Resonatorspiegeln (101) und (104) werden dabei durch den Laserverstärker (102) ausgeglichen, die schmalbandigen Absorptionslinien des Probegases dagegen nicht. Die Laseremission (105) wird spektral analysiert, z. B. mit Hilfe eines Polychromators (106), und das Absorptionssignal wird im Emissionsspektrum des Lasers nachgewiesen. Die effektive Absorptionslänge ergibt sich aus dem Produkt der ungestörten Dauer der Laseremission und der Lichtgeschwindigkeit. Die bisher höchste effektive Absorptionslänge wurde mit einem Farbstofflaser erreicht und beträgt ca. 70 000 km [3].
Die Nachweisgrenze des Absorptionssignals im Laser-Emissionsspektrum lässt sich durch Unterdrückung des Rauschens herabsetzen. Eine Methode, die sich dafür eignet, lässt sich aus dem Verfahren der photoakustischen Spektroskopie ableiten [4]. Bei der photoakustischen Spektroskopie wird ein Laser (101, 102, 104) auf ein Wellenlängengebiet mit möglichst starker Absorption des Probegases eingestellt und mit Hilfe z. B. eines Unterbrechers (207) moduliert (Bild 2). Anschließend durchquert das Laserlicht eine Zelle (203), die mit dem Probegas gefüllt und mit einem Mikrophon (208) ausgestattet ist. Absorption von Laserlicht in der Probezelle erhöht periodisch die Gastemperatur und erzeugt eine Schallwelle, die mit dem Mikrophon nachgewiesen wird. Mit entsprechende Eichung kann das Mikrophonsignal zur Messung der Konzentration des Probegases benutzt werden.
Bild 3 zeigt die Kombination der beiden Verfahren: Spektroskopie im Laser-Resonator und photoakustische Spektroskopie. Diese Kombination erlaubt gleichzeitig die Erhöhung der Systemempfindlichkeit und die Reduzierung der Nachweisgrenze [5]. Bei dieser Kombination wird das nachzuweisende Gas (103) in den Resonator eines Vielmodenlasers eingebracht; dessen Lichtemissionsspektrum wird daher mit dem Absorptionsspektrum des Gases markiert. Das emittierte Laserlicht (105) wird mit Hilfe eines Unterbrechers moduliert und durchquert anschließend die externe photoakustische Zelle (303), die mit dem Probegas in hoher Konzentration gefüllt ist. Als Folge der im Bereich von Absorptionslinien des Probegases - und nur dort - verringerten spektralen Leistung des Lasers wird das photoakustische Signal reduziert. Diese Abnahme des photoakustischen Signal wird für die Bestimmung der Gaskonzentration in der Probezelle im Laser-Resonator verwendet.
Die Nachteile dieses bekannten Verfahrens [5] sind erhöhtes Rauschen durch Aufheizen der Fenster und Wände der Probezelle, durch Instabilität des Emissionsspektrums, und durch Bewegungsgeräusche des Unterbrechers, ferner der mechanische Verschleiß des Unterbrechers.
Um diese Nachteile zu beseitigen, werden statt der Laserleistung entweder das Emissionsspektrum des Lasers, z. B. mit Hilfe einer Vorrichtung zur Einstellung und Modulation des Spektrum (409), oder die Absorption des Probegases im Resonator moduliert, und das Mikrophonsignal wird auf der Modulationsfrequenz vorzugsweise phasenempfindlich aufgenommen (Bild 4).
Das Emissionsspektrum des Vielmodenlasers wird auf den Bereich ausgewählter starker Absorptionslinien des Probegases eingestellt und auf diese Einstellung geregelt. Einstellung und Regelung der mittleren spektralen Position der Laseremission erfolgt durch Leistungstabilisierung des Laserstrahls hinter einem Interferenzfilter (413), das im spektralen Bereich der Einstellung eine steile Transmissionsflanke oder ein schmales Maximum besitzt. Um kontinuierlichen Messbetrieb zu ermöglichen, wird vorzugsweise nur ein Teil des Strahls für die Erzeugung des Stellsignals verwendet, der mit Hilfe eines Strahlteilers (412) abgelenkt wird. Alternativ erfolgt die Leistungstabilisierung des Laserstrahls, der die photoakustische Zelle durchquert hat. Die Leistungsstabilisierung erfolgt durch die Regelung des Emissionsspektrums des Lasers mit Hilfe eines Spektrum-Einstellers (409), so daß das elektrische Stellsignal (415) aus dem Photodetektor (414) auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten wird. Der andere Teil des Laserstrahls durchquert die externe photoakustische Zelle (303).
Die spektrale Lage der Laseremission (Sollbereich) wird durch Änderung des Winkels zwischen Interferenzfilter (413) und Laserstrahl gesteuert. Zusätzlich zur stabilisierten Einstellung der Mitte des Laserspektrums auf einen bestimmten Wert erfolgt Modulation um diesen Wert (Wellenlängemodulation) mit Hilfe des Spektrum-Einstellers (409). Die Einstellung und Modulation (409) des Emissionsspektrums des Lasers können z. B. durch Verschiebung und Modulation der Lage einer als dispersives Element wirkenden Linse im Laser-Resonator erfolgen [6]. Die Verschiebung und Modulation der Lage der Linse im Laser-Resonator kann auf elektromagnetische Weise, z. B. durch Befestigung der Linse an einer elektromagnetisch bewegten Lautsprechermembran, oder piezoelektrisch erfolgen. Alternativ zur Wellenlängen-Modulation kann das Absorptionsignal des Probegases amplitudenmoduliert werden, z. B.
  • - durch Modulation der Konzentration des Gases im Laser-Resonator mit Hilfe von kontinuierlichem Abpumpen des Gases aus dem Resonatorvolumen oder aus einer internen Probezelle (411), verbunden mit periodischer gepulster Injektion des Probegases (410).
  • - durch periodische spektrale Verschiebung der Absorptionslinien des Probegases durch den Zeeman-Effekt eines angelegten modulierten Magnetfeldes im Volumen des Probegases oder durch den Stark-Effekt bei Verwendung eines modulierten elektrischen Feldes im Volumen des Probegases.
Alternativ oder zusätzlich zur Modulation des Absorptionssignals im Laser-Resonator kann auch das Absorptionssignal in der photoakustischen Zelle moduliert werden. In diesem Fall wird das Meßsignal auf der Summen- oder Differenzfrequenz erzeugt ("Inter-Modulation").
Da im vorgeschlagenen Verfahren die gesamte Laserleistung in der photoakustischen Zelle nahezu konstant bleibt, werden die Störsignale durch Aufheizen der Fenster und Wände der Probezelle unmoduliert bleiben und daher nicht zum Messsignal beitragen.
Zur weiteren Verminderung der Nachweisgrenze kann eine photoakustische Zelle verwendet werden, die Mehrfachdurchgang des Laserstrahls durch diese Zelle erlaubt.
Zur Messung der Konzentrationen verschiedener Gaskomponenten können mehrere photoakustische Zellen im Laserstrahl in Reihe angeordnet sein.
Anstatt der photoakustischen Zelle kann auch eine Fluoreszenzzelle oder eine optogalvanische Zelle entsprechend verwendet werden.
Als Verstärker des Vielmodenlasers kann ein mit Seltenen Erden, Übergangsmetallen oder Farbzentren dotierter Festkörper, eine mit Seltenen Erden dotierte Faser, ein Halbleiter oder ein Farbstoff verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel zur Messung geringer Konzentration von Wasserdampf zeigt Bild 5. In diesem Beispiel wird Wasserdampf in den Resonator (503) eines Tm 3+-dotierten Vielmoden-Faserlasers (502) eingebracht. Das Emissionsspektrum des Faserlasers überlappt mit starken Absorptionslinien von Wasserdampf im Wellenlängenbereich von 1,82 µm bis 1,92 µm. Dies erlaubt empfindlichen Nachweis geringer Konzentrationen von Wasserdampf im Laser-Resonator.
Der thulium-dotierte Faser-Laser wird mit der Emission eines Diodenlasers (516) bei der Emissionswellenlänge 785 nm optisch angeregt. Der Diodenlaser wird mit einem stabilisierten elektrischen Strom (518) von etwa 100 mA betrieben, der mit einem Diodenlaser-Treibergerät (517) erzeugt wird. Die Diodenlaser-Emission (519) wird mit einer asphärischen Linse (520) kollimiert und mit einer zweiten asphärischen Linse (521) durch den ersten Resonatorspiegel (501), der auf der Faserstirnfläche aufgedampft ist in die Glasfaser eingekoppelt. Die andere Stirnfläche der Faser (522) ist für den spektralen Bereich von 1,7 µm bis 2 µm entspiegelt und vakuumdicht in die Probezelle (503) gekoppelt. Der zweite Resonatorspiegel (504) wird justierbar und vakuumdicht an der anderen Seite der Probezelle befestigt. Die asphärische Kollimationslinse (509) fokussiert den aus der Faser austretenden Strahl auf den zweiten Resonatorspiegel (504). Diese Linse wird auf einer elektromagnetisch angesteuerten (524) Lautsprechermembran (523) befestigt.
Der Ausgangsstrahl (105) des Lasers wird mit Hilfe eines Strahlteilers (412) in zwei Strahlen geteilt. Der schwächere Strahl beleuchtet die Photodiode (414) hinter einem Interferenzfilter (413), das an der gewünschten spektralen Position der Mitte der Laseremission eine steile Transmissionsflanke hat. Das Signal der Photodiode wird zur Normierung des Ausgabesignals (529) und zur Einstellung und Regelung des Emissionsspektrums (528) mit Hilfe der Regelelektronik (526) benutzt.
Der andere Teil des Laserstrahles durchquert die photoakustische Zelle (303), die mit dem Probegas in hoher Konzentration gefüllt und mit einem Mikrophon (208) ausgestattet ist. Absorption von Laserlicht in der Probezelle erhöht periodisch die Gastemperatur und erzeugt eine Schallwelle, die mit dem Mikrophon (208) gemessen werden kann. Um das akustische Signal zu erhöhen, ist in dem Strahlengang der photoakustische Zelle ein Rohr (530) mit schmaler akustischer Resonanz auf der Frequenz 2 kHz eingebaut. Zur weiteren Erhöhung des akustischen Signals können in der Mitte des Resonanzrohr mehrere Mikrophone eingebaut und parallel geschaltet werden. Als Folge der im Bereich von Absorptionslinien des Probegases - und nur dort - verringerten spektralen Leistung des Lasers wird das photoakustische Signal reduziert. Diese Abnahme des photoakustischen Signals wird für die Bestimmung der Gaskonzentration in der Probezelle im Laser-Resonator verwendet.
Das Mikrophonsignal (531) wird mit Hilfe der Signalelektronik (532) phasenempfindlich aufgenommen. Die Signalelektronik enthält einen phasenempfindlichen Gleichrichter und einen Referenzoszillator. Das Signal des Referenzoszillators (528) wird zur Ansteuerung der Modulation des Emissionsspektrum des Lasers verwendet. Das Ausgangssignal (533) der Signalelektronik wird auf die Laser-Leistung normiert (529) und mit Hilfe eines Ausgabegeräts (534) angezeigt. Dieses Signal wird für die Bestimmung der Gaskonzentration in der Probezelle im Laser-Resonator verwendet.
Die minimal nachweisbare Konzentration von Wasserdampf mit einem solchem Gerät beträgt nach den gegenwärtigen Möglichkeiten der Realisierung etwa 1 ppb.
Referenzen
1. J. U. White, "Long optical paths of large aperture", J. Opt. Soc. Am. 32, 285-288 (1942).
2. A. O'Keefe and D. A. G. Deacon, "Cavity ringdown optical spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources", Rev. Sci. Instrum., 59, 2544-2551 (1988).
3. V. M. Baev, T. Latz, P. E. Toschek, "Laser intracavity absorption spectroscopy", Applied Physics B69, 171-202 (1999).
4. M. W. Sigrist (Ed.), Air Monitoring by Spectroscopic Techniques, (Wiley, New York, 1994), S. 163-180.
5. T. Latz, G. Weirauch, V. M. Baev, and P. E. Toschek, "External photoacoustic detection of a trace vapour inside a multimode laser", Appl. Opt. 38, 2625-2629 (1999).
6. P. E. Toschek, V. M. Baev, R. Böhm, "Diodenlasergepumpter Vielmoden-Wellenleiterlaser, insbesondere Faserlaser", Europäische Patentschrift EP 0923798 B1.

Claims (41)

1. Höchstempfindlicher Gasdetektor, mittels eines Vielmodenlasers, in dessen Resonator das nachzuweisende Gas einbringbar ist, so dass dessen Lichtemission mit dem Absorptionsspektrum des Gases kodiert ist, und mit einer externen, vorzugsweise photoakustischen Nachweis-Zelle, und/oder einem phasenempfindlichen Gleichrichter und/oder einem Ausgabegeräts zur Messung des Absorptionssignals bzw. der Gaskonzentration, gekennzeichnet durch
eine Modulationseinrichtung zum Modulieren des Emissionsspektrums des Lasers und/oder der Absorption des Probegases im Resonator und/oder in einer externen Zelle und
eine Einrichtung zur Aufnahme des Messsignals auf der Modulationsfrequenz.
2. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionspektrum des Vielmodenlasers auf den Bereich ausgewählter starker Absorptionslinien des Probegases eingestellt und auf diese Einstellung geregelt wird.
3. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass Einstellung und Regelung des Emissionsspektrum des Lasers erfolgen durch Leistungstabilisierung des Laserstrahls hinter einem Interferenzfilter, das im spektralen Bereich der Einstellung eine steile Transmissionsflanke oder ein schmales Maximum besitzt.
4. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des spektralen Messbereiches des Lasers durch Drehung des Interferenzfilters senkrecht zur optische Achse gesteuert wird.
5. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung und Modulation des Emissionsspektrums des Lasers erfolgt durch Verschiebung und Modulation der Lage einer als dispersives Element wirkenden Linse im Laser-Resonator.
6. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung und Modulation der Lage der Linse im Laser- Resonator auf elektromagnetische Weise erfolgt, z. B. durch Befestigung der Linse an einer elektromagnetisch angesteuerten Lautsprechermembran.
7. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung und Modulation der Lage der Linse im Laser- Resonator piezoelektrisch erfolgt.
8. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Absorptionssignals bzw. der Gaskonzentration eine externe photoakustische Zelle verwendet wird, die Einfach- und/oder Mehrfachdurchgang des Laserstrahls durch diese Zelle erlaubt.
9. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Konzentrationen verschiedener Gaskomponenten mehrere photoakustische Zellen im Laserstrahl in Reihe angeordnet sind.
10. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionssignal des Probegases amplitudenmoduliert wird durch die Modulation der Konzentration des Gases im Laser-Resonator.
11. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskonzentration moduliert wird mit Hilfe von kontinuierlichem Abpumpen des Gases aus dem Resonatorvolumen oder aus einer internen Probezelle, verbunden mit periodischer gepulster Injektion des Probegases.
12. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionssignal des Probegases spektral moduliert wird durch periodische spektrale Verschiebung der Absorptionslinien des Probegases.
13. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Verschiebung von Absorptionslinien des Probegases erfolgt durch den Zeeman-Effekt eines angelegten modulierten Magnetfeldes im Volumen des Probegases.
14. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Verschiebung von Absorptionslinien des Probegases erfolgt durch den Stark-Effekt bei Verwendung eines modulierten elektrischen Feldes im Volumen des Probegases.
15. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1, 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionssignal des Probegases nicht im Laser-Resonator, sondern in der photoakustischen Zelle moduliert wird.
16. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Vielmodenlasers auf der Frequenz der Laser-Relaxationsschwingungen moduliert ist.
17. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt der photoakustische Zelle eine Fluoreszenzzelle verwendet wird.
18. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt der photoakustische Zelle eine optogalvanische Zelle verwendet wird.
19. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung des Messsignals auf der Modulationsfrequenz eine phasenempfindlichen Einrichtung enthält.
20. Höchstempfindlicher Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Festkörper, eine Faser, ein Halbleiter oder ein Farbstoff als aktives Material des Vielmodenlasers verwendet wird.
21. Verfahren zur Höchstempfindlichen Gasdetektion, bei welchem
das nachzuweisende Gas in einen Resonator eines Vielmodenlasers eingebracht wird,
das Absorptionssignal bzw. die Gaskonzentration mit Hilfe einer externen vorzugsweise photoakustischen Zelle und/oder eines phasenempfindlichen Gleichrichters und/oder eines Ausgabegeräts gemessen wird, und
das Emissionsspektrums des Lasers und/oder die Absorption des Probegases im Resonator und/oder in einer externen Zelle moduliert wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Emissionsspektrum des Lasers durch Leistungsstabilisation des Laserstrahls eingestellt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem das Einstellen mit Hilfe eines Interferenzfilters durchgeführt wird, das im spektralen Bereich der Einstellung eine steile Transmissionsflanke oder ein schmales Maximum besitzt.
24. Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem der spektrale Emissionsbereich des Lasers durch Drehung der Interferenzfilters senkrecht zur optischen Achse gesteuert wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-24, bei welchem die Einstellung und Modulation des Emissionsspektrums des Lasers durch Verschiebung und Modulation der Lage einer als dispersives Element wirkenden Linse im Laser-Resonator erfolgt.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-25, bei welchem die Verschiebung und Modulation der Lage der Linse im Laser-Resonator auf elektromagnetische Weise erfolgt, z. B. durch Befestigung der Linse an einer elektromagnetisch angesteuerten Lautsprechermembran.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-25, bei welchem die Verschiebung und Modulation der Lage der Linse im Laser-Resonator piezoelektrisch erfolgt.
28. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem zur Messung des Absorptionssignals bzw. der Gaskonzentration eine externe photoakustische Zelle verwendet wird, die einen Einfach- und/oder Mehrfachdurchgang des Laserstrahls durch diese Zelle erlaubt.
29. Verfahren nach Anspruch 28, bei welchem zur Messung der Konzentrationen verschiedener Gaskomponenten mehrere photoakustische Zellen im Laserstrahl in Reihe angeordnet sind.
30. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Absorptionssignal des Probegases durch die Modulation der Konzentration des Gases im Laser-Resonator amplitudenmoduliert wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, bei welchem die Gaskonzentration mit Hilfe von periodischem Abpumpen und/oder Zuführen des Gases im Resonatorvolumen moduliert wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, bei welchem die Zuführ des Gases durch periodisch gepulste Injektion erfolgt.
33. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Absorptionssignal des Probegases durch periodische spektrale Verschiebung der Absorptionslinien des Probegases spektral moduliert wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, bei welchem die spektrale Verschiebung von Absorptionslinien des Probegases durch Anlegen eines modulierten Magnetfeldes im Volumen des Probegases erfolgt.
35. Verfahren nach Anspruch 33, bei welchem die spektrale Verschiebung von Absorptionslinien des Probegases durch Anlegen eines modulierten elektrischen Feldes im Volumen des Probegases erfolgt.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 21, 30 und 33, bei welchem das Absorptionssignal des Probegases allein und/oder in der externen photoakustischen Zelle moduliert wird.
37. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem die Leistung des Vielmodenlasers auf der Frequenz der Laser-Relaxationsschwingungen moduliert ist.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-37, bei welchem anstatt der photoakustischen Zelle eine Fluoreszenzzelle verwendet wird.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-37, bei welchem anstatt der photoakustischen Zelle eine optogalvanische Zelle verwendet wird.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-39, bei welchem das Messsignal auf der Modulationsfrequenz phasenempfindlich aufgenommen wird.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 21-40, bei welchem ein Festkörper, eine Faser, ein Halbleiter oder ein Farbstoff als aktives Material des Vielmodenlasers verwendet wird.
DE10200029A 2001-01-04 2002-01-03 Höchstempfindlicher Gasdetektor Expired - Fee Related DE10200029B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10200029A DE10200029B4 (de) 2001-01-04 2002-01-03 Höchstempfindlicher Gasdetektor

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10100185.1 2001-01-04
DE10100185 2001-01-04
DE10200029A DE10200029B4 (de) 2001-01-04 2002-01-03 Höchstempfindlicher Gasdetektor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10200029A1 true DE10200029A1 (de) 2002-08-22
DE10200029B4 DE10200029B4 (de) 2007-01-18

Family

ID=7669754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10200029A Expired - Fee Related DE10200029B4 (de) 2001-01-04 2002-01-03 Höchstempfindlicher Gasdetektor

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10200029B4 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004008112A1 (de) * 2002-07-12 2004-01-22 Abb Research Ltd Hochauflösendes absorptionsspektrometer und entsprechendes messverfahren
DE102006017702B4 (de) * 2006-04-15 2021-03-18 Gunther Krieg Spektroskopievorrichtung
EP4155715A1 (de) * 2021-09-24 2023-03-29 Servomex Group Limited Elektromagnetische steuerung der absorption und unterdrückung von spektralartefakten
CN118010640A (zh) * 2024-03-18 2024-05-10 武汉威虹光子科技有限公司 宽量程光声光谱气体检测装置及方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3893771A (en) * 1974-08-22 1975-07-08 Diax Corp Laser absorption spectroscopy
US4019056A (en) * 1975-04-28 1977-04-19 Diax Corporation Infrared laser detector employing a pressure controlled differential optoacoustic detector
DE3718908C1 (de) * 1987-06-05 1988-12-15 Joseph Ulrich Intracavity-Multimoden-Laserspektrometer
US5841533A (en) * 1995-09-01 1998-11-24 Innovative Lasers Corporation Intracavity laser spectroscopy for high sensitivity detection of contaminants in gas
DE19636236B4 (de) * 1996-09-06 2004-09-16 Evotec Technologies Gmbh Diodenlasergepumpter Vielmoden-Wellenleiterlaser, insbesondere Faserlaser
US5999259A (en) * 1998-10-02 1999-12-07 Innovative Lasers Corporation Contaminant identification and concentration determination by monitoring the wavelength, or intensity at a specific wavelength, of the output of an intracavity laser

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004008112A1 (de) * 2002-07-12 2004-01-22 Abb Research Ltd Hochauflösendes absorptionsspektrometer und entsprechendes messverfahren
DE102006017702B4 (de) * 2006-04-15 2021-03-18 Gunther Krieg Spektroskopievorrichtung
EP4155715A1 (de) * 2021-09-24 2023-03-29 Servomex Group Limited Elektromagnetische steuerung der absorption und unterdrückung von spektralartefakten
US12345627B2 (en) 2021-09-24 2025-07-01 Servomex Group Limited Electromagnetic control of absorption and suppression of spectral artifacts
CN118010640A (zh) * 2024-03-18 2024-05-10 武汉威虹光子科技有限公司 宽量程光声光谱气体检测装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE10200029B4 (de) 2007-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10883929B2 (en) Optical absorption spectroscopy based gas analyzer systems and methods
DE602004000374T2 (de) Gasdetektionsverfahren und gasdetektoreinrichtung
US4849637A (en) Method and apparatus for continuously measuring the concentration of a gas component
JP6786752B2 (ja) フォトサーマル干渉装置および方法
US6188705B1 (en) Fiber grating coupled light source capable of tunable, single frequency operation
DE2537237A1 (de) Laserabsorptionsspektrometer und verfahren der laserabsorptionsspektroskopie
DE3311808A1 (de) Kompakter, miniaturisierter, optischer spektrumanalysator als monitor fuer halbleiterlaser-lichtquellen
DE10044404C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von stabilisierten ultrakurzen Laser-Lichtpulsen
JP5291117B2 (ja) テラヘルツ周波数帯域中に存在する摂動によって誘起される一時的な複屈折のワンショット測定方法及び装置
DE2616377A1 (de) Verfahren zur kontinuierlichen erzeugung von wellen kohaerenter anti-stokes- schwingungsspektren
EP0685729B1 (de) Spektroskopisches Verfahren zur Messung kleinster spezifischer Absorptionssignale
AT525495B1 (de) Ausgleichsdetektion mit ICAPS innerhalb einer optischen Kavität
EP1565725A2 (de) Resonatorverstärktes absorptions-spektrometer mit einer inkohärenten strahlungsquelle
DE4446723C2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Konzentration eines Gases
DE102014226487B4 (de) FTIR-Spektrometer mit Stabilisierung des Referenzlasers über eine natürliche Absorptionslinie
GB2258529A (en) Spectroscopic measurement of gas concentration
DE10200029B4 (de) Höchstempfindlicher Gasdetektor
JP3811778B2 (ja) レーザー周波数安定化装置、及びレーザー周波数安定化方法
KR20010005783A (ko) 가스중의 불순물의 분광분석방법
EP1265058A2 (de) Verfahren und Messeinrichtung zur Bestimmung eines Lumineszenz-, Fluoreszenz- oder Absorptionsparameters einer Probe
DE10308409A1 (de) Verfahren zur Messung der Konzentration oder des Konzentrationsverhältnisses von Gaskomponenten mit potentiellen Anwendungen in der Atemtest-Analyse
JP2876267B2 (ja) 炭素同位体分析装置
US12426787B2 (en) Methods and systems for capnograpy signal processing
DE19525415A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Gasen
CN107076667A (zh) 激光束阻挡元件及包括该元件的光谱系统

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
8125 Change of the main classification

Ipc: G01N 21/39

8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee