DE2058064A1 - Geraet zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Substanz durch eine optische Strahlung - Google Patents

Geraet zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Substanz durch eine optische Strahlung

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Description

(Zusatz zu Patentanmeldung P 20 39 382.2)
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Substanz durch Messung der
Absorption und/oder Phasenverschiebung einer optischen Strahlung} mit einem die optische Strahlung liefernden Laser, einem Bündelteiler, der ein vom Laser erzeugtes Strahlungsbündel in ein : Me&bündel, dessen Weg ein die zu untersuchende Substanz enthaltende Meßküvette angeordnet ist, und ein Referenzbündel, in dessen VJeg eine Vergleichsküvette angeordnet ist, aufteilt, einer Vorrichtung zum Vereinigen der beiden Bündel, nachdem sie die zugehörigen Küvetten durchsetzt haben, und einer auf das vereinigte Bündel ansprechenden Vorrichtung gemäß Anspruch 3 des Patentes (Patentanmeldung P 20 39 382.2).
Das Hauptpatent betrifft in erster Linie, jedoch nicht ausschließlich, ein Gerät zur Bestimmung des CO^-Gehaltes einer biologischen Substanz mittels einer von einem COp-Laser erzeugten optischen Strahlung. Dabei werden die durch die Substanz bewirkte Absorption und/oder Phasenverschiebung der Strahlung j
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bei einer einzigen Wellenlänge gemessen, die in das Absorptionsspektrum der nachzuweisenden Substanz fällt.
Durch die vorliegende Erfindung werden sowohl die Anwendungsmöglichkeiten als auch die Genauigkeit und der Informationsinhalt der Messungen eines Gerätes der eingangs genannten Art dadurch wesentlich vergrößert, daß der Laser durchstimmbar ist und daß die optischen Längen des Meß- und Vergleichskanales zwischen der Eintrittsseite des Bündelteilers und der Austrittsseite der die Bündel vereinigenden Vorrichtung gleich sind.
Durch diese Maßnahmen wird das im Hauptpatent vorgeschlagene Gerät "breitbandig" gemacht, so daß einwandfreie Meßergebnisse auch bei Veränderung der Schwingungsfrequenz des Lasers in einem weiten Bereich erhalten werden. Das Meßergebnis ist nämlich abgesehen von den Einflüssen der Substanz unabhängig von der Frequenz bzw. Wellenlänge des vom Laser erzeugten Strahlungsbündels.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Das in der Zeichnung schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen durchstimmbaren Laser 10, für den irgend ein bekannter Laser verwendet werden kann, des·+ sen Schwingungsfrequenz in einem verhältnismäßig großen Bereich i verändert werden kann.
Die Frequenz des Lasers ist durch einen Modulator 11 steuerbar, der z.B. eine zeitlich lineare Frequenzänderung bewirkt. Wenn die Darstellung der Ausgangssignale durch ein registrierendes Meßgerät, z.B. einen Schreiber, erfolgt, verläuft die Frequenzänderung so langsam, daß das Ergebnis einwandfrei aufgezeichnet werden kann. Bei Darstellung der Meßergebnisse durch einen Oszillographen, was im folgenden angenommen werden soll,
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erfolgt die Frequenzänderung vorzugsweise verhältnismäßig rasch und periodisch, z.B. entsprechend einer Sägezahnschwingung von 50 Hz.
Der Laser 10 liefert ein Strahlungsbündel 12, das durc einen Bündelteiler lH in ein Referenzbündel 12a und ein Meßbündel 12b aufgeteilt wird. Das Referenzbündel 12a fällt durch eine Vergleichsküvette 16" auf einen Umlenkspiegel 18, dessen Lage vorzugsweise elektrisch justierbar ist, worauf noch näher eingegangen wird. Das Meßbündel 12b fällt auf einen Umlenkspiegel 20, anschließend durch Meßkfivette 22 und gelangt schließlich zu einen halbdurchlässigen Spiegel 24, von dem ein wesentlicher Teil der einfallenden Strahlung zu einer strahlungsempfindlichen Vorrichtung 26 reflektiert wird. Das vom Spiegel 18 reflektierte Referenzbündel durchsetzt zu einem wesentlichen Teil den halbdurchlässigen Spiegel 2*1 und die auf diese Weise vereinigten Bündel treten am Ort der strahlungsempfindlichen Vorrichtung in Interferenz.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die optischen Längen des vom Referenzbündel 12a durchlaufenen Vergleichskanals und des vom Meßbündel 12b durchlaufenen Heßkanals, gemessen von der Eintrittsseite des Bündelteilers 14 bis zur Austritteseite des halbdurchlässigen Spiegels 24 gleich, so daß sich an der Interferenz am Ort der strahlungsempfindlichen Vorrichtung 26 nichts ändert, wenn die Wellenlänge des Strahlungsbündels 12 geändert wird, die Verhältnisse aber sonst konstant und frequenzunabhängig sind.
Das Ausgangssignal der atrahlungsempfindliehen Vorrichtung 26 gibt also die Dämpfung und Phasenverschiebung durch die in der Küvette 22 enthaltene Substanz in Abhängigkeit von der Wellenlänge wieder.
Zur Anzeige der Dämpfung und Phasenverschiebung wird
das Ausgangssignal der strahlungsempfindlichen Vorrichtung vor-2098 23/0 904
-I1-
zugsweise über einen Regelverstärker 28 einer Vorrichtung 30 zugeführt, die ein Stellsignal für eine Stellvorrichtung 32 liefert, welche den Spiegel 18 in seiner Lage zu verstellen gestattet. Die Stellvorrichtung 32 enthält vorzugsweise ein piezoelektrisches Element, an dem der Spiegel 18 angebracht ist. Die die Bauelemente 26, 28, 30, 32 und 18 enthaltende Regelanordnung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß am Ort der strahlungsempfindlichen Vorrichtung 26 ein Interferenzmaximum aufrechterhalten wird. Die Strahlungsintensität im Interferenzmaximum ist dann umgekehrt proportional zur Dämpfung der Strahlung durch die Substanz in der Küvette 22, während die Verstellung des Spiegels 18 und damit das Stellsignal ein Maß für die Phasenver-j Schiebung der Strahlung durch die Substanz darstellt. Dämpfung und Phasenverschiebung können durch einen Zweistrahl-Oszillographen 3^ dargestellt werden, dessen Zeitablenkung durch den Modulator 11 gesteuert wird, indem eine Ausgangsklemme X des Modulators 11 mit einer entsprechenden X-Ablenk- oder Synchronisationsklemme des Oszillographen 30 verbunden wird.
Um das der Dämpfung entsprechende Signal unabhängig von etwaigen Schwankungen der Intensität des Strahlungsbündels 12 zu machen, kann man mit einer Vergleichsmessung arbeiten. Hierzu kann man z.B. den Umlenkspiegel 20 als teildurchlässigen Spiegel ausbilden und die Intensität des durchfallenden Teiles 12c des Strahlungsbündels 12b mittels einer weiteren strahlungsempfindlichen Vorrichtung 3^ messen. Das Ausgangssignal der strahlungsempfindlichen Vorrichtung 3*t wird mit dem Ausgangssignal der strahlungsempfindlichen Vorrichtung 26, die wie beschrieben das Interferenzmaximum mißt, in einer Vergleichsschaltung 36 verglichen, die ein von Amplitudenschwankungen der Eingangsstrahlung unabhängiges Quotientensignal an den Oszillographen 32 liefert. Die direkte Verbindung 38 zwischen der strahlungsempfindlichen Vorrichtung 26 und dem Oszillographen 32 entfällt in diesem Falle.
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Bei entsprechend langsamer Änderung der Schwingungsfrequenz der vom Laser IO erzeugten Strahlung kann an die Stelle des Oszillographen 32 selbstverständlich ein XY-Schreiber oder dgl. treten.
Bei der Inbetriebnahme des vorliegenden Gerätes werden zuerst die Spiegel 14, 18, 20 und 24 so einjustiert, daß die optische Länge des Meßkanales und des Referenzkanales gleich sind. Dies kann z.B. nach anfänglicher mechanischer Grobjustierung durch Verschiebung des Spiegels 18 geschehen, indem an die Stelljvorrichtung 32 eine entsprechende Vorspannung gelegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Spiegel 20 mit einer Verstellvorrichtung, z.B. einem piezoelektrischen Kristall und der entsprechenden Erregungsschaltung versehen sein. Anschließend wird die Regelschaltung so einjusitert, daß am Ort der strah- j lungsempfindlichen Vorrichtung 26 ein Interferenzmaximum herrscht! was bedeutet, daß der Gangunterschied des Referenzbündels und des Meßbündels gleich Null ist. Dieser Gangunterschied bleibt auch bei Änderung der Prquenz des Lasers Null, auch wenn der Regelkreis unterbrochen ist. Mit In-Betrieb befindlicher Regelschaltung und moduliertem Laser werden dann die gewünschten Messungen durchgeführt.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Gerät zur Bestimmung der Zusammensetzung einer
    Substanz durch Messung der Absorption und/oder Phasenverschiebung einer optischen Strahlung, mit einem die optische Strahlung liefernden Laser, einem Bündelteiler, der ein vom Laser
    erzeugtes Strahlungsbündel in ein Meßbündel,indessen Weg eine
    die Substanz enthaltende Meßküvette angeordnet ist, und ein Referenzbündel, in dessen Weg eine Vergleichsküvette angeordnet
    ist, aufteilt, einer Vorrichtung zum Vereinigen der beiden Bündel, nachdem sie die zugehörigen Küvetten durchsetzt haben, und einer auf das vereinigte Bündel ansprechenden Vorrichtung, nach Patent (Patentanmeldung P 20 39 382), dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (10) durchstimmbar
    ist und daß die optischen Längen des Meß- und Vergleichskanales zwischen der Eintrittsseite des Bündelteilers (14) und der Austrittsseite der die Bündel vereinigenden Vorrichtung (24) gleich sind.
    2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des Referenz- oder Meßbündels (12a, 12b) eine Vorrichtung (18) angeordnet ist, die
    die optische Länge des von dem betreffenden Bündel durchlaufenen Kanales zu verändern gestattet, und daß die auf das vereinigte
    Bündel ansprechende Vorrichtung (26) mit einer Regeleinrichtung (28, 30, 32) verbunden ist, die ein mit der die optische Länge
    verändernden Vorrichtung (18) gekoppelten Stellvorrichtung (32) verbunden ist und diese so steuert, daß am Ort der auf das vereinigte Bündel ansprechenden Vorrichtung ein Interferenzmaximum aufrechterhalten wird.
    209823/Q9Q4
    3. Serät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (32) zur Anzeige eines dem Stellsignal proportionalen Signales.
    H. Serät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge-,
    kennzeichnet durch eine Vorrichtung (32)
    zur Anzeige der Amplitude des Ausgangssignales der auf das vereinigte Bündel ansprechenden Vorrichtung (26).
    5. Serät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der auf das vereinigte Bündel ansprechenden Vorrichtung (26) und dem Ausgang einer auf* ein weiteres Referenzbündel (12c) ansprechenden Vorrichtung (3*0 eine Schaltungsanordnung (36) gekoppelt ist, die ein vom Verhältnis dieser beiden Signale entsprechendes Ausgangssignal an eine Amplituden-Anzeige- oder Registriervorrichtung (32) liefert.
    209823/09(K
    Lee rseite
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