PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60206803T2 20.07.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001463925
Titel AUF OPTISCHEN FASERN BASIERENDE VORRICHTUNG FÜR DIE CAVITY-RINGDOWN-SPEKTROSKOPIE
Anmelder The Trustees of Princeton University, Princeton, N.J., US
Erfinder LEHMANN, K., Kevin, Lawrence, US;
TARSA, Peter B., Duxbury, US;
RABINOWITZ, Paul, Bridgewater, US
Vertreter Bittner & Partner, 85049 Ingolstadt
DE-Aktenzeichen 60206803
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 02.12.2002
EP-Aktenzeichen 027957133
WO-Anmeldetag 02.12.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/US02/38421
WO-Veröffentlichungsnummer 2003050489
WO-Veröffentlichungsdatum 19.06.2003
EP-Offenlegungsdatum 06.10.2004
EP date of grant 19.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.07.2006
IPC-Hauptklasse G01J 3/42(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01N 21/55(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein Absorptions-Spektroskopie und ist insbesondere auf die Verwendung eines fiberoptischen Resonators zur Hohlraum-Abkling-Spektroskopie gerichtet.

Hintergrund der Erfindung

Nun wird auf die Zeichnung Bezug genommen, worin gleiche Bezugszeichen sich überall auf gleiche Elemente beziehen, wobei 1 das elektromagnetische Spektrum auf einer logarithmischen Skala zeigt. Die Spektroskopie-Wissenschaft erforscht Spektren. Im Gegensatz zu wissenschaftlichen Gebieten, die sich mit anderen Teilen des Spektrums befassen, umfasst die Optik insbesondere sichtbares und nahezu sichtbares Licht – einen sehr schmalen Teil des vorhandenen Spektrums, der sich wellenlängenmäßig von etwa 1 mm bis etwa 1 nm erstreckt. Nahezu sichtbares Licht beinhaltet Farben, die röter als rot sind (Infrarot) und Farben, die violetter als violett sind (Ultraviolett). Der Bereich erstreckt sich gerade weit genug auf jede Seite des sichtbaren Bereichs, dass das Licht noch mittels der meisten aus den üblichen Materialien gefertigten Linsen und Spiegeln gehandhabt werden kann. Die Wellenlängenabhängigkeit der optischen Eigenschaften von Materialien muss oft beachtet werden.

Absorptionstyp-Spektroskopie bietet hohe Empfindlichkeit, Ansprechzeiten in der Größenordnung von Mikrosekunden, Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen, und begrenzte Interferenz von anderen molekularen Spezies als denen, die gerade erforscht werden. Verschiedene molekulare Spezies können durch Absorptions-Spektroskopie detektiert oder identifiziert werden. Somit stellt die Absorptions-Spektroskopie ein allgemeines Verfahren zum Nachweis wichtiger Spurenstoffe bereit. In der Gasphase sind die Empfindlichkeit und Selektivität dieses Verfahrens optimiert, da die Spezies ihre Absorptionsstärke in einem Satz scharfer Spektrallinien konzentriert haben. Die schmalen Linien in dem Spektrum können zur Unterscheidung von den meisten interferierenden Spezies verwendet werden.

In vielen industriellen Verfahren muss die Konzentration von Spurenstoffen in fließenden Gasströmen und Flüssigkeiten mit einem hohen Grad an Geschwindigkeit und Genauigkeit gemessen und analysiert werden. Eine solche Messung und Analyse ist erforderlich, da die Konzentration an Verunreinigungen hinsichtlich der Qualität des Endprodukts oftmals entscheidend ist. Gase wie N2, O2, H2, Ar, und He werden zum Beispiel zur Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet, und das Vorliegen von Verunreinigungen in solchen Gasen – sogar auf einem Niveau von Teilen auf eine Milliarde (ppb) – ist schädigend und reduziert die Ausbeute an betriebsfähigen Schaltkreisen. Daher ist die relativ hohe Empfindlichkeit, mit der Wasser spektroskopisch angezeigt werden kann, für die Hersteller hochreiner Gase, wie sie in der Halbleiterindustrie verwendet werden, bedeutsam. Verschiedene Verunreinigungen müssen in anderen industriellen Anwendungen detektiert werden. Des Weiteren ist das Vorhandensein von Verunreinigungen, ob inhärent oder absichtlich hinzugefügt, in letzter Zeit bei Flüssigkeiten von besonderem Interesse.

Die Spektroskopie hat ein Detektions-Niveau von Teilen auf eine Million (ppm) für gasförmige Verunreinigungen in hochreinen Gasen erlangt. In einigen Fällen sind Detektionsempfindlichkeiten auf dem ppb-Niveau erreichbar. Entsprechend wurden verschiedene spektroskopische Verfahren auf solche Anwendungen angewandt, wie das Anzeigen quantitativer Verunreinigung in Gasen, inklusive: Absorptionsmessungen in herkömmlichen Zellen mit langer Weglänge, fotoakustische Spektroskopie, Frequenzmodulations-Spektroskopie, und Intra-Hohlraum-Laser-Absorptionsspektroskopie. Diese Verfahren weisen verschiedene, im U.S.-Patent Nr. 5,528,040, für Lehmann, erörterte Merkmale auf, wodurch diese Verfahren schwierig anzuwenden und für industrielle Anwendungen unpraktisch sind. Daher sind sie größtenteils auf Untersuchungen im Labor beschränkt worden.

Im Gegensatz dazu ist die Hohlraum-Abkling-Spektroskopie (CRDS) eine bedeutende spektroskopische Technik geworden mit Anwendungen in Wissenschaft, industrieller Verfahrenssteuerung und atmosphärischer Spurengasdetektion. CRDS wurde als eine Technik zur Messung optischer Absorption demonstriert, die im Bereich niedrigen Absorptionsmaßes, in dem herkömmliche Verfahren unzureichende Empfindlichkeit aufweisen, überragend ist. CRDS macht sich die durchschnittliche Lebensdauer von Photonen in einem optischen Hochfinesse-Resonator zunutze als die wahrnehmbare Absorptionsempfindlichkeit.

Typischerweise wird der Resonator gebildet aus einem Paar nominal äquivalenter, dielektrischer Schmalband-Spiegel mit ultra-hohem Reflexionsvermögen, die entsprechend konfiguriert sind, um einen stabilen optischen Resonator zu bilden. Durch einen Spiegel wird ein Laserimpuls in den Resonator abgegeben, um eine durchschnittliche Lebensdauer festzustellen, die abhängt von der Umlauftransitzeit der Photonen, der Länge des Resonators, dem Absorptionsquerschnitt und der Anzahldichte der Stoffe, und einem Zählfaktor für Resonatoreigenverluste (die größtenteils durch das Frequenz-abhängige Spiegelreflexionsvermögen, wenn Beugungsverluste unwesentlich sind, entstehen). Die Festlegung der optischen Absorption wird daher von der konventionellen Leistungsverhältnismessung in eine Messung der Abklingzeit umgewandelt. Die Höchstempfindlichkeit der CRDS wird durch die Größenordnung der Resonatoreigenverluste bestimmt, die durch Techniken wie dem Feinschleifen, das die Herstellung von Optiken mit ultra-geringen Verlusten gestattet, minimiert werden können.

Gegenwärtig ist die CRDS auf spektroskopische Bereiche begrenzt, bei denen dielektrische Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen benutzt werden können. Dies hat die Brauchbarkeit des Verfahrens in vielen der ultravioletten und infraroten Bereiche signifikant begrenzt, da Spiegel mit genügend hohem Reflexionsvermögen derzeit nicht erhältlich sind. Sogar in Bereichen, in denen geeignete dielektrische Spiegel erhältlich sind, gestattet jedes Spiegelset nur den Betrieb über einen schmalen Wellenlängenbereich, typischerweise einen Teilbereich von wenigen Prozent. Des Weiteren erfordert die Konstruktion vieler dielektrischer Spiegel die Verwendung von Materialien, die sich mit der Zeit verschlechtern, insbesondere, wenn sie Umgebungen mit chemisch bedingter Korrosion ausgesetzt werden. Weil diese derzeitigen Begrenzungen die Verwendung von CRDS in vielen potentiellen Anwendungen einschränken oder verhindern, besteht eine klar erkennbare Notwendigkeit, hinsichtlich Resonatorkonstruktion den bestehenden Stand der Technik zu verbessern.

Der Artikel von A. Pipino et al., „Flüchtige Wellen-Hohlraum-Abkling-Spektroskopie mit einem Totalreflexions-Minihohlraum", Rev. Sci. Instrum. 68(8) (Aug. 1997), stellt einen Ansatz für eine verbesserte Resonatorkonstruktion dar. Der Ansatz verwendet einen monolithischen Totalreflexions(TIR)Ringresonator von regelmäßiger polygonaler Geometrie (z.B. Quadrat oder Achteck) mit mindestens einer konvexen Facette, um Stabilität zu verleihen. Ein Lichtimpuls wird total durch ein erstes, außerhalb und in der Nähe des Resonators befindliches Prisma reflektiert, wodurch eine flüchtige Welle erzeugt wird, die in den Resonator eintritt und während der Photonentunnelung die stabilen Modi des Resonators erregt. Wenn Licht in einem größeren als einem kritischen Winkel auf eine Fläche mit niedrigerem Brechungsindex als das Ausbreitungsmedium auftrifft, wird es vollständig reflektiert. J. D. Jackson, „Klassische Elektrodynamik", Kapitel 7, John Wiley & Sons, Inc.: New York, NY (1962). Allerdings existiert jenseits des Reflexionspunkts ein Feld, das sich nicht ausbreitet und mit der Distanz zur Grenzfläche exponentiell abklingt. Dieses abklingende Feld führt keine Kraft in einem rein dielektrischen Medium mit sich, jedoch gestattet die Dämpfung der reflektierten Welle die Beobachtung des Vorhandenseins einer absorbierenden Spezies in dem Bereich des abklingenden Feldes. F. M. Mirabella (ed.), "Innenreflexions-Spektroskopie", Kapitel 2, Marcel Dekker, Inc.: New York, NY (1993).

Das Absorptionsspektrum des Stoffs, welcher an den total reflektierenden Flächen des Resonators angeordnet ist, erhält man durch die mittlere Lebensdauer eines Photons in dem monolithischen Resonator, welche hergeleitet wird aus der Zeitabhängigkeit des Signals, das von einem Detektor empfangen wird durch Entkoppeln mit einem zweiten Prisma (ebenfalls ein total reflektierendes, sich außerhalb, jedoch in der Nähe des Resonators, befindliches Prisma). Somit tritt optische Strahlung in den Resonator ein und aus durch Photonentunnelung, was eine präzise Steuerung des Input- und Output-Koppelns gestattet. Eine Miniatur-Resonator-Realisierung von CRDS-Ergebnissen und der TIR-Ring-Resonator erstrecken das CRDS-Konzept auf die Spektroskopie kondensierten Materials. Der Breitbandcharakter von TIR umgeht die Begrenzung auf schmale Bandbreiten, die durch dielektrische Spiegel in herkömmlicher Gasphasen-CRDS auferlegt ist. Die Arbeit von A. Pipino et al. ist nur auf TIR-Spektroskopie anwendbar, die an sich auf kurze Gesamtabsorptionsweglängen begrenzt ist, und somit auf starke Absorptionskräfte. Im Gegensatz hierzu stellt die vorliegende Erfindung lange Absorptionsweglängen bereit und gestattet somit die Detektion von schwachen Absorptionskräften.

Verschiedene neue Ansätze zu Spiegel-gestützten CRDS-Systemen sind in den U.S.-Patenten 5,973,864, 6,097,555, 6,172,823 B1 und 6,172,824 B1, für Lehmann et al., bereitgestellt. Diese Ansätze lehren die Verwendung eines fast konfokalen Resonators, der durch zwei reflektierende Elemente oder prismatische Elemente gebildet wird.

2 zeigt eine CRDS-Vorrichtung 10 nach dem Stand der Technik. Wie in 2 gezeigt, wird Licht von einem einstellbaren kontinuierlichen Schmalband-Wellendiodenlaser 20 erzeugt. Der Laser 20 ist temperaturabgestimmt durch eine Temperatursteuerung 30, um seine Wellenlänge auf die gewünschte Spektrallinie des Analyten zu setzen. Ein Isolator 40 ist vor und in Ausrichtung mit der vom Laser 20 abgegebenen Strahlung positioniert. Der Isolator 40 stellt einen Einrichtungs-Übertragungsweg bereit, was der Strahlung ermöglicht, sich vom Laser 20 weg zu bewegen, jedoch verhindert, dass sich die Strahlung in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Ein Einmodenfaserkoppler (F.C.) 50 koppelt das vom Laser 20 in die optische Faser 48 abgegebene Licht. Der Faserkoppler 50 ist vor und in Ausrichtung mit dem Isolator 40 positioniert. Der Faserkoppler 50 empfängt und hält die optische Faser 48 und lenkt die vom Laser 20 abgegebene Strahlung in Richtung und durch eine erste Linse 46. Die erste Linse 46 sammelt und fokussiert die Strahlung. Da das vom Laser 20 abgegebene Strahlenmuster dem Muster des sich in der optischen Faser 48 ausbreitenden Lichts nicht perfekt entspricht, liegt ein unvermeidlicher Fehlanpassungsverlust vor.

Die Laserstrahlung wird annähernd an die Mode angepasst in eine Hohlraumabklingzelle (RDC) 60 geleitet. Ein reflektierender Spiegel 52 lenkt die Strahlung zu einem Strahlteiler 54. Der Strahlteiler 54 lenkt etwa 90% der Strahlung durch eine zweite Linse 56. Die zweite Linse 56 sammelt und fokussiert die Strahlung in die Zelle 60. Die verbleibende Strahlung tritt durch einen Strahlteiler 54 und wird durch einen reflektierenden Spiegel 58 in eine Analyt-Referenz-Zelle 90 gelenkt.

Die durch die Analyt-Referenz-Zelle 90 hindurch übertragene Strahlung wird zu und durch eine vierte Linse 92 gelenkt. Die vierte Linse 92 ist zwischen der Analyt-Referenz-Zelle 90 und einem zweiten Fotodetektor 94 (PD 2) ausgerichtet. Der Fotodetektor 94 stellt den Input für die Computer- und Steuerelektronik 100 bereit.

Die Zelle 60 ist gebildet aus zwei hochreflektierenden Spiegeln 62, 64, welche als ein nahezu konfokales Etalon entlang einer Achse a ausgerichtet sind. Die Spiegel 62, 64 bilden die Input- und Output-Fenster der Zelle 60. Das zu untersuchende Probengas strömt durch eine enge Röhre 66, die koaxial zur optischen Achse a der Zelle 60 liegt. Die Spiegel 62, 64 sind an verstellbaren Flanschen oder Halterungen befestigt, die mit Vakuum-dichten Balgen versiegelt sind, um die Einstellung der optischen Ausrichtung der Zelle 60 zu gestatten.

Die Spiegel 62, 64 weisen eine dielektrische Beschichtung mit hoher Reflektivität auf und sind an der Beschichtung ausgerichtet, die in den durch die Zelle 60 gebildeten Hohlraum zeigt. Ein kleiner Anteil Laserlicht tritt durch den Frontspiegel 62 in die Zelle 60 ein und „schwingt" innerhalb des Hohlraums der Zelle 60 hin und zurück. Durch den hinteren Spiegel 64 (den Reflektor) der Zelle 60 übertragenes Licht wird zu und durch eine dritte Linse 68 geleitet und dann wieder auf einem ersten Fotodetektor 70 (PD 1) abgebildet. Jeder der Fotodetektoren 70, 94 wandelt einen eintreffenden optischen Strahl in elektrischen Strom um und stellt dadurch ein Input-Signal für die Computer- und Steuerelektronik 100 bereit. Das Input-Signal repräsentiert die Abklingrate des Hohlraumabklingens.

3 zeigt den optischen weg innerhalb eines CRDS-Resonators 100 nach dem Stand der Technik. Wie in 3 gezeigt, basiert der Resonator 100 für CRDS auf der Verwendung zweier Brewsterwinkel-Retroreflektorprismen 50, 52. Der polarisierende oder Brewsterwinkel &THgr;B ist in Relation zum Prisma 50 gezeigt. Einfallendes Licht 12 und austretendes Licht 14 sind als Input in bzw. Output aus dem Prisma 52 gezeigt. Der resonante optische Strahl erfährt zwei Totalreflexionen ohne Verlust in jedem Prisma 50, 52 bei etwa 45°, einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel für geschmolzenen Quarz und die meisten anderen herkömmlichen Materialien für optische Prismen. Das Licht bewegt sich zwischen den Prismen 50, 52 entlang der optischen Achse 54.

Obwohl die Hohlraum-Abkling-Spektroskopie im Vergleich zu den anderen Spektroskopieverfahren einfacher und kostengünstiger durchzuführen ist, ist sie immer noch kostspielig, da ein Hohlraum-Abkling-Spektroskopiesystem in der Größenordnung von vielen Tausend Dollar pro Einheit liegen kann. Des Weiteren sind konventionelle CRDS-Vorrichtungen für Versatz zwischen den optischen Elementen anfällig, sowohl während der Herstellung als auch während des Einsatzes.

Um die Nachteile der bekannten Ansätze bezüglich verbesserten Resonatorbaus zu überwinden, wird ein neuer, auf optischen Fasern basierender, optischer Resonator für CRDS bereitgestellt. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die herkömmlichen dielektrischen Spiegel oder Prismen-Retroreflektoren zu ersetzen, wodurch ein haltbarerer und kostengünstigerer Resonator bereitgestellt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Um diese und andere Aufgaben zu bewältigen, und hinsichtlich ihrer Zwecke, stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Detektion von Spurenstoffen und zur Messung in einem Probengas bereit. Die Vorrichtung ist in Anspruch 1 definiert.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird der Gehalt an Spurenstoffen basierend auf der Abklingrate des von der Detektoreinrichtung erzeugten Signals bestimmt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Filter zwischen der Kopplungseinrichtung und dem Detektor plaziert, um das empfangene Strahlungsquantum von der passiven Faseroptikschleife selektiv an den Detektor weiterzuleiten.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet der Koppler i) einen ersten Koppler zum Einbringen des von der kohärenten Quelle emittierten Strahlungsquantums an einen ersten Abschnitt des Faseroptikrings und ii) einen zweiten Koppler zum Empfangen des Strahlungsquantums in dem passiven Faseroptikring an einem zweiten Abschnitt davon.

Gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung ist der exponierte Teil der Faser der Überzug der Faser.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist der exponierte Teil der Faser der innere Kern der Faser.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist die kohärente Quelle ein optischer parametrischer Generator, ein optischer parametrischer Verstärker oder ein Laser.

Gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung ist das abklingende Feld der sich innerhalb der Faser bewegenden Strahlung dem Probengas oder der Probenflüssigkeit ausgesetzt.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung steigert die Absorption der Strahlung durch die Faser eine Abklingrate der Strahlung.

Gemäß einem wiederum weiteren Aspekt der Erfindung weist die passive resonante Faser einen hohlen Kern auf.

Gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung des Weiteren einen durch ein zylindrisches Gehäuse gebildeten und mit einem Abschnitt des exponierten Teils der resonanten Faser so umhüllten Sensor, dass das Exponiertsein des abklingenden Felds gegenüber den Spurenstoffen durch Erhöhung der Penetrationstiefe des abklingenden Felds gesteigert wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist mindestens ein Teil des passiven Faseroptikrings mit einem Material beschichtet, um selektiv eine Konzentration der Spurenstoffe an dem beschichteten Teil des Faseroptikrings zu erhöhen.

Es versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung beispielhaft, jedoch nicht einschränkend sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Erfindung ist am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung zu verstehen, wenn sie in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung gelesen wird. Es wird betont, dass gemäß allgemeiner Praxis die verschiedenen Merkmale der Zeichnung nicht maßstabsgetreu sind. Im Gegenteil, die Abmessungen der verschiedenen Merkmale sind aus Gründen der Klarheit willkürlich vergrößert oder reduziert. In der Zeichnung sind die folgenden Figuren enthalten:

1 zeigt das elektromagnetische Spektrum auf einer logarithmischen Skala;

2 zeigt ein CRDS-System nach dem Stand der Technik, welches Spiegel verwendet;

3 zeigt eine CRDS-Zelle, welche Prismen verwendet;

4 ist eine Illustration einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

5A zeigt ein Ende einer konventionellen optischen Faser;

5B ist eine perspektivische Ansicht eines Sensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

6A ist eine Querschnittsansicht eines Faseroptikkabels, welche die Ausbreitung von Strahlung innerhalb des Kabels zeigt;

6B ist ein Querschnitt eines Faseroptiksensors, welcher das abklingende Feld gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

6C ist ein Querschnitt eines Faseroptiksensors, welcher das abklingende Feld gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und

7 ist eine Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

4 zeigt die auf optischen Fasern basierende Abklingvorrichtung 400 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, durch welche Spurenstoffe oder Analyte in Gasen und Flüssigkeiten festgestellt werden können. In 4 beinhaltet die Vorrichtung 400 den resonanten Faseroptikring 408, der das Faseroptikkabel 402 und Sensoren 500 (nachfolgend detailliert beschrieben), die entlang der Länge des Faseroptikkabels 402 verteilt sind, aufweist. Die Länge des resonanten Faseroptikrings 408 kann leicht auf eine Reihe von Erfassungssituationen angepasst werden, wie zum Beispiel Abtasten des Umfangs oder Durchlaufen verschiedener Sektionen einer physikalischen Anlage. Obwohl, wie gezeigt, Sensoren 500 entlang der Länge der Faseroptikschleife 408 verteilt sind, kann die Erfindung auf Wunsch unter Verwendung nur eines Sensors 500 umgesetzt bzw. praktiziert werden. Die Verteilung von mehr als einem Sensor 500 gestattet das Erfassen von Spurenstoffen an verschiedenen Punkten überall an der Einrichtungsstelle. Die Erfindung kann auch mittels einer Kombination von Sensoren 500 mit einem geraden, gegenüber Probenflüssigkeiten oder -gasen exponierten Faserabschnitt 402, oder mit nur geraden, gegenüber der Probenflüssigkeit oder dem Probengas exponierten Faserabschnitten 402 umgesetzt werden. Es wird erwogen, dass die Länge des resonanten Faseroptikrings so klein wie etwa 1 Meter oder so groß wie mehrere Kilometer sein kann.

Die kohärente Strahlungsquelle 404, wie zum Beispiel ein optischer parametrischer Generator (OPG), ein optischer parametrischer Verstärker (OPA) oder ein Laser, gibt Strahlung bei einer Wellenlänge ab, die mit einer Absorptionsfrequenz des Analyten oder der zu untersuchenden Spurenstoffe übereinstimmt. Die kohärente Quelle 404 kann ein einstellbarer Diodenlaser mit einem auf den zu untersuchenden Spurenstoffen basierenden Schmalband sein. Ein Beispiel eines kommerziell erhältlichen optischen parametrischen Verstärkers ist Modell No. OPA-800C, erhältlich von Spectra Physics, Mountain View, Kalifornien.

Beispiele von Frequenzen der kohärenten Quelle 404 gegenüber Analyten sind in Tabelle 1 umrissen. Die Tabelle 1 ist nur erläuternd und nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken. Weiter wird erwogen, dass die vorliegende Erfindung zum Detektieren einer Reihe von chemischen und biologischen Agenzien verwendet werden kann, die für Menschen und/oder Tiere schädlich sind. Es wird ebenfalls erwogen, dass eine solche Detektion durch Beschichten der Oberfläche des passiven Faseroptikrings mit Antikörpern, die speziell das gewünschte Antigen binden, gesteigert werden kann.

Tabelle 1

In der ersten beispielhaften Ausführungsform wird Strahlung von der kohärenten Quelle 404 dem resonanten Faseroptikring 408 bereitgestellt durch den optionalen optischen Isolator 406, den Koppler 410 und den Abkling-Input-Koppler 412. Wenn die kohärente Quelle 404 ein Diodenlaser ist, schafft die Verwendung des optischen Isolators 406 den Vorteil des Minimierens von Rauschen in dem Laser durch Vermeidung von Reflexionen zurück in den Laser. Der Abkling-Input-Koppler 412 kann einen festen Prozentsatz an Strahlung von der kohärenten Quelle 404 in den resonanten Faseroptikring 408 bereitstellen, oder kann, basierend auf Verlusten entlang des resonanten Faseroptikrings 408, einstellbar sein. Vorzugsweise entspricht die durch den Abkling-Input-Koppler 412 an den resonanten Faseroptikring 408 bereitgestellte Strahlungsmenge den im Faseroptikkabel 402 und den Konnektoren (nicht gezeigt) vorhandenen Verlusten. Ein kommerziell erhältlicher Abkling-Koppler, welcher eine 1%-Kopplung (99%/1% Teilungsverhältnis-Kopplung) an Strahlung bereitstellt, wird von ThorLabs, Newton, New Jersey, hergestellt und trägt die Artikelnummer 10202A-99. In einer bevorzugten Ausführungsform koppelt der Abkling-Input-Koppler 412 weniger als 1% der Strahlung von der kohärenten Quelle 404 in die Faser 402.

In einer beispielhaften Ausführungsform wird zum Detektieren der Spurenstoffe oder Analyte ein Teil der Umhüllung 402a, die das Faseroptikkabel 402 bedeckt, entfernt, um den Mantel 402b, der den inneren Kern 402c des Faseroptikkabels 402 umgibt, freizulegen. Alternativ kann entweder sowohl die Umhüllung 402a als auch der Mantel 402b entfernt werden, um den inneren Kern 402c freizulegen, oder der umhüllte Teil des Faseroptikkabels 402 kann der Probenflüssigkeit oder dem Probengas ausgesetzt werden. Der letztere Ansatz kann zum Beispiel in dem Fall nützlich sein, wenn das abklingende Feld (nachstehend erörtert) sich zur Interaktion mit den Spurenstoffen (welche von der Umhüllung absorbiert wurden oder sich in der Umhüllung aufgelöst haben) in die Umhüllung erstreckt. Aufgrund der spröden Beschaffenheit des inneren Kerns 402c, welcher in bestimmten Arten von Faseroptikkabeln Verwendung findet, mag das Entfernen sowohl der Umhüllung als auch des Mantels jedoch nicht das am meisten bevorzugte Vorgehen sein. Ein Querschnitt eines typischen Faseroptikkabels ist in 5A gezeigt.

Das Krümmen eines Totalreflexions(TIR)-Elements verändert den Winkel, in dem die einfallende elektromagnetische Welle die Reflexionsfläche berührt. In dem Fall des Krümmens einer optischen Faser um einen zylindrischen Körper befindet sich der Reflexionswinkel auf der Oberfläche des dem Körper gegenüberliegenden Faserkerns näher an der Normalen, und die Penetrationstiefe des abklingenden Felds ist erhöht. Indem einige Male die optische Faser 402 um das zylindrische Kernelement 502 (siehe 5B) gewickelt wird, ist die Penetrationstiefe des abklingenden Felds vergrößert und eine größere Faserlänge kann der Detektionsflüssigkeit in einem kleineren physikalischen Volumen ausgesetzt werden. Eine experimentelle Nachprüfung der Verbesserung beim Faseroptikabtasten durch variierende Krümmungs-Radien wird von D. Littlejohn et al. in „Gekrümmte Quarzglasfaser-Abklingabsorption-Sensoren zur nahezu Infrarot-Spektroskopie", Applied Spectroscopy 53: 845–849 (1999) erörtert.

5B zeigt einen beispielhaften Sensor 500, der dazu verwendet wird, Spurenstoffe in einer Flüssigkeits- oder einer Gasprobe zu detektieren. Wie in 5B gezeigt, beinhaltet der Sensor 500 das zylindrische Kernelement 502 (welches fest, hohl oder anderweitig durchlässig sein kann), so wie eine Spindel, mit einem Teil des Faseroptikkabels 402, wobei der Mantel 402b exponiert ist (in diesem Beispiel), und um das Kernelement 502 über eine vorbestimmte Länge 506 gewickelt ist. Es ist auch möglich, den Sensor 500 durch Umwickeln des Kernelements 502, wobei der Kern 402c des Faseroptikkabels 402 exponiert ist, herzustellen. Der Durchmesser des Kernelements 502 ist so, dass der Faserkern 402c mit einem geringeren als einem kritischen Radius r gebildet wird, bei dem überschüssige Strahlung durch den Faserkern 402c verloren gehen kann, wenn er das Kernelement 502 umgibt, oder die Unversehrtheit der Faser beeinträchtigt ist. Der kritische Radius r hängt von der Strahlungsfrequenz ab, die durch das Faseroptikkabel 402 tritt und/oder der Zusammensetzung der Faser. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der Radius des Kernelements 502 zwischen etwa 1 cm und 10 cm, und höchst vorzugsweise bei mindestens etwa 1 cm. Wie gezeigt, wird Strahlung von der Faser 402 beim Input 504 bereitgestellt und beim Output 508 extrahiert bzw. abgeleitet. Das zylindrische Kernelement 502 kann eine spiralförmige Rille auf seiner Oberfläche aufweisen, in der die Faser 402 platziert ist, sowie ein Mittel zur Sicherung der Faser 402 an dem zylindrischen Kernelement 502. Ein solches Sicherungsmittel kann viele Formen aufweisen, so wie eine in das zylindrische Kernelement 502 durch ein Gewinde eingedrehte Schraube, einen Klebstoff, so wie Epoxidharz oder Siliziumgummi, etc. Die Erfindung kann ausgeführt werden, wo die Sensoren 500 mit der Faser 402 integral sind oder an die Faser 402 gekoppelt werden können, unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Faseroptikkonnektoren.

6A zeigt, wie Strahlung sich durch ein typisches Faseroptikkabel ausbreitet. Wie in 6A gezeigt, entfaltet die Strahlung 606 Totalreflexion (TIR) an der Grenze zwischen dem inneren Kern 402c und dem Mantel 402b. Es tritt ein unwesentlicher Verlust (nicht gezeigt) auf, wodurch Strahlung nicht reflektiert, jedoch in den Mantel 402b absorbiert wird. Obwohl 6A als ein Faseroptikkabel beschrieben wird, sind 6A und die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genauso auf eine Hohlfaser, wie einen hohlen Wellenleiter, in dem der Mantel 402b einen hohlen Kern umgibt, anwendbar.

6B ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Sensors 500, die den Effekt der Umhüllung des faseroptischen Kabels 402 um das Kernelement 502 herum zeigt. Wie in 6B gezeigt, ist nur die Umhüllung 402a vom faseroptischen Kabel 402 entfernt. Die Strahlung 606 bewegt sich innerhalb des Kerns 402c und entfaltet mit einem unwesentlichen Verlust 609 Totalreflexion an der Grenze zwischen dem inneren Kern 402c und des an das Kernelement 502 angrenzenden Teils des Mantels 402b-1. Andererseits tritt bei Vorhandensein von Spurenstoffen oder des Analyten 610 das abklingende Feld 608 durch die Grenzfläche zwischen dem inneren Kern 402c und dem exponierten Teil des Mantels 402b-2. Dies schwächt die Strahlung 606 wesentlich ab, basierend auf der Summe an vorhandenen Spurenstoffen 610, und wird abgeschwächte Totalreflexion (ATR) genannt. Es sei erwähnt, dass die Strahlung 606 nicht abgeschwächt wird (anders als durch den Eigenverlust in der Faser), wenn keine Spurenstoffe mit einem mit der Wellenlänge der Strahlung kompatiblen Absorptionsband vorhanden sind.

6C ist eine Querschnittsansicht einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Sensors 500, die den Effekt der Umhüllung des faseroptischen Kabels 402 um ein Kernelement 502 herum, wobei ein Teil der Umhüllung 402a intakt bleibt, zeigt. Wie in 6D gezeigt, ist nur ein oberer Teil der Umhüllung 402a von dem faseroptischen Kabel 402 entfernt. Ähnlich der ersten beispielhaften Ausführungsform des Sensors 500 bewegt sich die Strahlung 606 innerhalb des Kerns 402c und entfaltet mit einem unwesentlichen Verlust 609 Totalreflexion an der Grenze zwischen dem inneren Kern 402c und des an das Kernelement 502 angrenzenden Teils des Mantels 402b-1. Andererseits tritt bei Vorhandensein von Spurenstoffen oder des Analyten 610 das abklingende Feld 608 durch die Grenzfläche zwischen dem inneren Kern 402c und dem exponierten Teil des Mantels 402b-2.

Es wird erwogen, dass die Entfernung der Umhüllung 402a (in jedem Beispiel des Sensors 500) durch mechanische Mittel ausgeführt wird, wie ein konventionelles Werkzeug zum Abmanteln einer Faseroptik, oder durch Eintauchen des Faserkabelteils in ein Lösungsmittel, das die Umhüllung 402a angreifen und auflösen wird, ohne Auswirkung auf den Mantel 402b und den inneren Kern 402c. Im Falle der teilweisen Entfernung der Umhüllung 402a, kann die Lösungsmittel-Methode dahingehend modifiziert werden, dass das Lösungsmittel selektiv auf den Teil der Umhüllung aufgetragen wird, der entfernt werden soll.

Um die Anziehung von Analyt-Molekülen der Spurenstoffe in einer flüssigen Probe zu steigern, kann ein umhüllungsfreier Teil des passiven Faseroptikrings mit einem Material beschichtet werden, um selektiv eine Konzentration der Spurenstofe an dem beschichteten Teil des Faseroptikrings zu erhöhen. Ein Beispiel eines solchen Beschichtungsmaterials ist Polyethylen. Zusätzlich können Antigen-spezifische Binder zum Beschichten der Faser verwendet werden, um einen gewünschten biologischen Analyten mit hoher Spezifität anzuziehen.

Wiederum auf 4 Bezug nehmend, bewegt sich die Strahlung, die nach dem Durchtritt durch die Sensoren 500 verbleibt, weiterhin durch die Faserschleife 402. Ein Teil dieser verbleibenden Strahlung wird aus der Faseroptikschleife 402 durch den Abkling-Output-Koppler 416 ausgekoppelt. Der Abkling-Output-Koppler 416 wird durch einen Detektor 418 und eine Signalleitung 422 an den Prozessor 420 gekoppelt. Der Prozessor 420 kann zum Beispiel ein PC sein mit einer Einrichtung zum Konvertieren des Analog-Outputs des Detektors 418 in ein digitales Signal zur Verarbeitung. Der Prozessor 420 steuert außerdem die kohärente Quelle 404 durch die Steuerleitung 424. Sobald die Signale vom Detektor 418 durch den Prozessor 420 empfangen werden, kann der Prozessor die Menge und die Art der vorhandenen Spurenstoffe bestimmen, basierend auf der Verfallsrate der empfangenen Strahlung.

Optional kann ein Wellenlängenselektor 430 zwischen dem Abkling-Output-Koppler 416 und dem Detektor 418 plaziert werden. Der Wellenlängenselektor 430 fungiert als ein Filter, um zu verhindern, dass Strahlung, die nicht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, in den Detektor 418 gelangt.

Der Detektor 414 ist an den Ausgang des Input-Kopplers 412 gekoppelt. Der Output des Detektors 414 wird dem Prozessor 420 über die Signalleitung 422 bereitgestellt zur Verwendung bei der Bestimmung, wann der resonante Faseroptikring 402 genügend Strahlung empfangen hat, durch welche die Spurenstoffanalyse durchgeführt wird.

Im Falle der Ermittlung von Spurenstoffen oder Analyten in Flüssigkeiten muss der Brechungsindex der Flüssigkeit niedriger sein als der Brechungsindex des faseroptischen Kabels. Zum Beispiel kann für ein faseroptisches Kabel mit einem Brechungsindex von n = 1,46 die Erfindung zur Ermittlung von in Wasser (n = 1,33) gelösten Spurenstoffen und vielen organischen Lösungsmitteln verwendet werden, einschließlich Methanol (n = 1,326), n-Hexan (n = 1,372), Dichlormethan (n = 1,4242), Aceton (n = 1,3588), Diethylether (n = 1,3526) und Tetrahydrofuran (n = 1,404), beispielsweise. Eine umfassende Liste von Chemikalien und ihres jeweiligen Brechungsindexes ist im CRC Handbuch der Chemie und Physik, 52. Auflage, Weast, Rober C., ed. The Chemical Rubber Company: Cleveland Ohio, 1971, S. E-201 zu finden. Es sind andere Arten optischer Fasern mit unterschiedlichen Brechungsindexes erhältlich, und die vorliegende Erfindung kann hinsichtlich einer gegebenen Flüssigkeits-Matrix angepasst werden, vorausgesetzt die optische Faser weist sowohl einen höheren Brechungsindex als die Flüssigkeit auf und überträgt Licht in der Region eines Absorptionsbands durch den Ziel-Analyten.

Gegenwärtig sind viele verschiedene Arten optischer Fasern erhältlich. Ein Beispiel ist die Corning's SMF-28e Silicafaser, welche standardmäßig Verwending bei Telekommunikationsanwendungen findet. Es existieren Spezialfasern, die Licht mit einer großen Zahl unterschiedlicher Wellenlängen übertragen, wie eine 488 nm/514 nm Einmodenfaser, hergestellt durch 3 M in Austin, Texas (Artikelnummer FS-VS-2614), 630 nm sichtbare Wellenlängen-Einmodenfaser, hergestellt von 3 M in Austin, Texas (Artikelnummer FS-SN 3224), 820 nm Standard-Einmodenfaser, hergestellt von 3 M in Austin, Texas (Artikelnummer FS-SN-4224), und 0,28-NA Fluorid-Glasfaser mit einer Übertragung von 4-Mikron, hergestellt von KDD Fiberlabs of Japan (Artikelnummer GF-F-160). Des Weiteren und wie vorstehend erwähnt, kann das faseroptische Kabel 402 eine Hohlfaser sein.

Es wird erwogen, dass die Faser 402 eine mittel-infrarot übertragende Faser sein kann, um Zugang zu Spektralbereichen zu gestatten, die viel höhere Analyt-Absorptionskräfte aufweisen, wodurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung 400 gesteigert wird. Fasern, die Strahlung in diesem Bereich übertragen, sind typischerweise aus Fluoridgläsern gefertigt.

7 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, durch die Spurenstoffe oder Analyte in Gasen und Flüssigkeiten ermittelt werden können. Beim Beschreiben von 7 tragen Elemente, die ähnliche Funktionen ausführen, wie diejenigen, die unter Bezug auf die erste beispielhafte Ausführungsform beschrieben sind, identische Bezugszeichen. In 7 verwendet die Vorrichtung 700 einen ähnlichen resonanten Faseroptikring 408 einschließlich einem faseroptischen Kabel 402 und Sensoren 500. Strahlung von der kohärenten Quelle 404 wird dem resonanten faseroptischen Ring 408 durch den optionalen optischen Isolator 406, den Koppler 410 und den Abkling-Input-/Output-Koppler 434 bereitgestellt, Der Abkling-Input-/Output-Koppler 434 kann einen festen Prozentsatz an Strahlung von der kohärenten Quelle 404 in den resonanten faseroptischen Ring 408 bereitstellen, oder kann einstellbar sein basierend auf überall in dem resonanten faseroptischen Ring 404 vorhandenen Verlusten. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Abkling-Input-/Output-Koppler 434 im Wesentlichen eine Rekonfigurierung des Abkling-Input-Kopplers 412, der vorstehend unter Bezug auf die erste beispielhafte Ausführungsform erörtert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform koppelt der Abkling-Input-/Output-Koppler 434 weniger als 1% der Strahlung vom Laser 404 in die Faser 402.

Die Ermittlung von Spurenstoffen ist ähnlich der in der ersten beispielhaften Ausführungsform beschriebenen und soll deshalb hier nicht wiederholt werden.

Die nach dem Durchtritt durch die Sensoren 500 verbleibende Strahlung bewegt sich weiterhin durch die Faserschleife 402. Ein Teil dieser verbleibenden Strahlung wird durch den Abkling-Input-/Output-Koppler 434 aus der Faseroptikschleife 402 ausgekoppelt. Der Abkling-Input-/Output-Koppler 434 ist durch den Detektor 418 und die Signalleitung 422 an den Prozessor 420 gekoppelt. Wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform steuert der Prozessor 420 auch die kohärente Quelle 404 durch die Steuerleitung 424. Sobald die Signale vom Detektor 418 durch den Prozessor 420 empfangen werden, kann der Prozessor die Menge und Art der vorhandenen Spurenstoffe ermitteln, basierend auf der Verfallsrate der empfangenen Strahlung.

Optional kann der Wellenlängenselektor 430 zwischen dem Abkling-Input-/Output-Koppler 434 und dem Detektor 418 plaziert sein. Der Wellenlängenselektor 430 dient als ein Filter, um zu verhindern, dass Strahlung, die nicht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, in den Detektor 418 gelangt. Der Wellenlängenselektor 430 kann auch durch den Prozessor 420 gesteuert werden, um zu verhindern, dass Strahlung von der kohärenten Quelle 404 den Detektor 418 „blendet" während der Zeitdauer nachdem die Strahlung von der kohärenten Quelle 404 in die Faser 402 gekoppelt wurde.

Obwohl die vorliegende Erfindung hier unter Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungsformen illustriert und beschrieben ist, ist nicht beabsichtigt, diese auf die gezeigten Details zu begrenzen. Vielmehr können verschiedene Modifikationen bezüglich der Details innerhalb des Umfangs und Bereichs der Äquivalente der Ansprüche und ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen getätigt werden.


Anspruch[de]
  1. Hohlraum-Abkling-Spektroskopie-Vorrichtung zur Detektion und Messung von Spurenstoffen in mindestens einem Probengas oder einer Probenflüssigkeit,

    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst:

    einen passiven Faseroptikring (402), der einen optischen Resonator bildet, wobei ein Teil davon dem Probengas oder der Probenflüssigkeit ausgesetzt ist;

    eine kohärente Strahlungsquelle (404);

    Kopplungseinrichtungen (412, 416) zum i) Leiten eines Teils der von der kohärenten Quelle emittierten Strahlung an den passiven Faseroptikring und ii) Empfangen eines Teils der in dem passiven Faseroptikring resonanten Strahlung;

    einen Detektor (418) zum Detektieren eines Levels der von der Kopplungseinrichtung empfangenen Strahlung und Erzeugen eines darauf ansprechenden Signals; und

    einen Prozessor (420), der an den Detektor gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, einen Level an Spurenstoffen in der Gasprobe oder der Flüssigkeitsprobe zu ermitteln, basierend auf einer Verfallsrate des von dem Detektor erzeugten Signals.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Kopplungseinrichtung ein einfacher optischer Koppler ist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, des Weiteren umfassend einen in einem optischen Pfad zwischen der Kopplungseinrichtung und dem Detektor platzierten Filter, um den empfangenen Teil an Strahlung selektiv von der passiven Faseroptikschleife an den Detektor weiterzuleiten.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Filter Strahlung an den Detektor weiterleitet, basierend auf einer Wellenlänge der Strahlung.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Kopplungseinrichtung beinhaltet i) einen ersten Koppler zum Leiten des von der kohärenten Quelle emittierten Teils an Strahlung an einen ersten Abschnitt des Faseroptikrings und ii) einen zweiten Koppler zum Empfangen des Teils an Strahlung in dem passiven Faseroptikring an einem zweiten Abschnitt davon.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der exponierte Teil ein Mantel der Faser ist.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der exponierte Teil ein innerer Kern der Faser ist.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die kohärente Strahlungsquelle ein optischer parametrischer Generator ist.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die kohärente Strahlungsquelle ein optischer parametrischer Verstärker ist.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die kohärente Strahlungsquelle ein Laser ist.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die kohärente Strahlungsquelle ein gepulster Laser ist.
  12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die kohärente Strahlungsquelle ein Konstantwellenlaser ist.
  13. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 10, 11 oder 12, wobei der Laser ein Faseroptiklaser ist.
  14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei der Konstantwellenlaser ein einstellbarer Diodenlaser, welcher ein Schmalband aufweist, ist.
  15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, weiterhin umfassend einen Isolator, der zwischen dem Laser und der Kopplungseinrichtung gekoppelt ist und der sich mit der von dem Laser emittierten Strahlung in Ausrichtung befindet, wobei der Isolator Rauschen in dem Laser minimiert.
  16. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein abklingendes Feld der Strahlung, welche sich innerhalb der Faser bewegt, dem Probengas oder der Probenflüssigkeit ausgesetzt wird.
  17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die Strahlungsabsorption von der Faser eine Verfallsrate der von der Kopplungseinrichtung empfangenen Strahlung steigert.
  18. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die passive resonante Faser entweder aus geschmolzenem Silica, Saphir oder Glas auf Fluoridgrundlage gebildet ist.
  19. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die passive resonante Faser aus einer Hohlfaser gebildet ist.
  20. Vorrichtung gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei die passive resonante Faser eine Einmodusfaser ist.
  21. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 18 oder 19, wobei die passive resonante Faser eine Mehrmodenfaser ist.
  22. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend mindestens einen zylindrischen Körper, der einen vorbestimmten Durchmesser aufweist und mit dem exponierten Teil der optischen Faser umhüllt ist, wobei das Exponieren des abklingenden Felds hinsichtlich der Spurenstoffe durch Vergrößerung einer Penetrationstiefe des abklingenden Felds gesteigert wird.
  23. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Vielzahl zylindrischer Körper, welche entsprechende vorbestimmte Durchmesser aufweisen und mit entsprechenden Abschnitten des exponierten Teils der resonanten Faser umhüllt sind.
  24. Vorrichtung gemäß Anspruch 22 oder 23, wobei die rohrförmige Struktur eine Spindel ist.
  25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, wobei die Spindel einen Querschnittsradius von mindestens etwa 1 cm aufweist.
  26. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, wobei die Spindel einen Querschnittsradius von zwischen etwa 1 cm und 10 cm aufweist.
  27. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Spurenstoff mindestens einer der Stoffe Wasser, Azetylen oder Ammoniak ist.
  28. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, wobei die kohärente Quelle ein Einmoduslaser ist, der in dem Wellenlängenbereich von etwa 1390 nm und etwa 1513 nm einstellbar ist.
  29. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der passive Faseroptikring bei einer Wellenlänge zwischen einem sichtbaren bis einem mittel-infraroten Bereich eines elektromagnetischen Spektrums resonant ist.
  30. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des passiven Faseroptikrings innerhalb der flüssigen Probe angeordnet ist zur Ermittlung eines Vorhandenseins der Spurenstoffe in der flüssigen Probe.
  31. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des passiven Faseroptikrings mit einem Material überzogen ist, um einen ausgewählten Spurenstoff an den beschichteten Teil des Faseroptikrings zu binden zur Steigerung der Detektion.
  32. Vorrichtung gemäß Anspruch 31, wobei das Material Analyt-Moleküle der Spurenstoffe anzieht.
  33. Vorrichtung gemäß Anspruch 32, wobei das Material Polyethylen ist.
  34. Vorrichtung gemäß Anspruch 31, wobei mindestens der beschichtete Teil des passiven Faseroptikrings innerhalb der flüssigen Probe angeordnet ist zum Ermitteln eines Vorhandenseins der Spurenstoffe in der flüssigen Probe.
  35. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Inputdetektor zum Ermitteln, wann Energie von dem Laser an den Faseroptikring bereitgestellt wird.
  36. Vorrichtung gemäß Anspruch 35, des Weiteren umfassend eine Steuereinrichtung zur Deaktivierung des Lasers, basierend auf der Empfangseinrichtung, welche Strahlung von dem Faseroptikring empfängt, nachdem der Inputdetektor ermittelt hat, dass der Laser dem Faseroptikring Energie bereitgestellt hat.
  37. Vorrichtung gemäß Anspruch 36, wobei die Steuereinrichtung und der Inputdetektor an die Prozessoreinrichtung gekoppelt sind.
  38. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein Brechungsindex der Faser größer ist als ein Brechungsindex der Probenflüssigkeit.
  39. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein Brechungsindex der Faser auf einem Brechungsindex des Probengases und einem Absorptionsband der Spurenstoffe basiert.
  40. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der in den Faseroptikring gekoppelte Teil an Strahlung weniger als 1% der der Kopplungseinrichtung bereitgestellten Strahlung beträgt.
  41. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der in den Faseroptikring gekoppelte Teil an Strahlung einstellbar ist.
  42. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Faseroptikring mindestens etwa 1 Meter lang ist.
  43. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Faseroptikring mindestens etwa 10 Meter lang ist.
  44. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Faseroptikring mindestens etwa 1 Km lang ist.
  45. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei mindestens ein zylindrischer Körper an einen Teil des exponierten Faseroptikrings gekoppelt ist, um den Teil des exponierten Faseroptikrings mit einem vorbestimmten Radius zu bilden, wobei mindestens ein Teil der Probenflüssigkeit oder des Probengases den gebildeten Teil des Faseroptikrings kontaktieren, und wobei die Kopplungseinrichtung umfasst:

    einen ersten optischen Koppler zur Bereitstellung mindestens eines Teils durch die kohärente Quelle emittierter Strahlung an einen ersten Abschnitt des passiven resonanten Faserrings;

    einen zweiten optischen Koppler zum Empfangen eines Teils an Strahlung in dem passiven resonanten Faserring von einem zweiten Abschnitt des resonanten Faserrings, wobei

    der Prozessor an den zweiten optischen Koppler gekoppelt und dazu ausgelegt ist, den Level an Spurenstoffen in der Gas- oder Flüssigkeitsprobe zu ermitteln, basierend auf der Verfallsrate der durch den zweiten optischen Koppler empfangenen Strahlung.
  46. Vorrichtung gemäß Anspruch 45, weiterhin umfassend einen ersten optischen Detektor, der gekoppelt ist zwischen dem zweiten optischen Koppler und dem Prozessor zum Erzeugen eines Signals, das auf die durch den zweiten optischen Koppler empfangene Strahlung reagiert.
  47. Vorrichtung gemäß Anspruch 45, des Weiteren umfassend einen zweiten optischen Detektor, der gekoppelt ist zwischen dem ersten optischen Koppler und dem Prozessor zur Ermittlung, wann Energie von dem Laser an den passiven Faseroptikring bereitgestellt wird.
  48. Vorrichtung gemäß Anspruch 47, wobei der zweite optische Detektor ein Auslösesignal an den Prozessor erzeugt als Antwort auf den Empfang von Strahlung von der kohärenten Quelle.
  49. Vorrichtung gemäß Anspruch 45, wobei die ersten und zweiten optischen Koppler ein unitärer Koppler sind.
  50. Verfahren zum Detektieren und Messen eines Spurenstoffs in mindestens einem Probengas oder einer Probenflüssigkeit, wobei das Verfahren umfasst:

    Exponieren eines Teils einer optischen Faser eines passiven Faseroptikrings, der einen optischen Resonator bildet, hinsichtlich des Probengases oder der Probenflüssigkeit;

    Emittieren von Strahlung von einer kohärenten Quelle;

    Koppeln mindestens eines Teils der von der kohärenten Quelle emittierten Strahlung in den Faseroptikring;

    Empfangen eines Teils der Strahlung, die sich in dem Faseroptikring bewegt; und

    Ermitteln des Levels an Spurenstoffen in der Gas- oder Flüssigkeitsprobe, basierend auf einer Verfallsrate der Strahlung innerhalb des Faseroptikrings.
  51. Verfahren gemäß Anspruch 50, des Weiteren die Schritte umfassend:

    Bilden, mit einem vorbestimmten Radius, mindestens einen Teil des exponierten Teils des passiven Faseroptikrings, basierend auf einer Absorptionsfrequenz der Spurenstoffe; und

    Exponieren des gebildeten Teils der Faser hinsichtlich der Probenflüssigkeit oder des Probengases.
  52. Verfahren gemäß Anspruch 51, weiterhin umfassend den Schritt des Exponierens eines abklingenden Felds der sich innerhalb der Faser bewegenden Strahlung hinsichtlich des Probengases oder der Probenflüssigkeit.
  53. Verfahren gemäß Anspruch 52, des Weiteren umfassend den Schritt des Ermittelns des Levels der Spurenstoffe in dem Probengas oder der Probenflüssigkeit, basierend auf der Verfallsrate der Strahlung in der Faser als Reaktion auf eine Absorption der Strahlung durch die Spurenstoffe.
  54. Verfahren nach Anspruch 50, weiterhin umfassend den Schritt des Variierens des Teils an Strahlung, der in den Faseroptikring gekoppelt ist, basierend auf einem Verlust innerhalb des passiven Faseroptikrings.
  55. Verfahren nach Anspruch 50, weiterhin umfassend den Schritt des Variierens des Teils an Strahlung, die in den Faseroptikring gekoppelt ist, basierend auf mindestens Konnektorverlusten und Faserverlusten.
Es folgen 11 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com