DE19611290A1 - Laserdioden-Gassensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserdioden-Gassensor mit offener optischer Meßstrecke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Laserdioden-Gassensor ist beispielsweise aus US Patent No. 5 339 155 bekannt, worin ein Gassensor mit offener Meßstrecke ("Open-Path-Sensor") beschrieben ist, bei dem Laser­ licht über einen halbdurchlässigen Spiegel und einen schrägste­ henden Spiegel auf einen Hohlspiegel und von dort als paralleles Strahlenbündel auf einen entfernt stehenden Reflektor gerichtet wird. Von dem Reflektor wird das Laserlicht reflektiert und die Meßstrecke erneut durchlaufen, woraufhin das reflektierte Laser­ licht wieder auf den Hohlspiegel fällt, der das reflektierte Licht auf den schrägstehenden Spiegel fokussiert. Von dem schrägstehenden Spiegel läuft das reflektierte Laserlicht dem ursprünglich eingekoppelten Laserlicht nun entgegen. Ein Teil des reflektierten Laserlichts wird dann von dem halbdurchlässi­ gen Spiegel auf einen Detektor geworfen, während ein anderer Teil verlorengeht. Diese Anordnung aus Hohlspiegel, schrägste­ hendem Auskopplungsspiegel im Brennpunkt des Hohlspiegels und Detektor entspricht dem eines Newton-Teleskopes, wobei zusätz­ lich ein halbdurchlässiger Spiegel im Strahlengang zur Einkopp­ lung von Laserlicht bzw. zur Auskopplung von reflektiertem Licht auf den Detektor vorgesehen ist. Desgleichen sind auch Gassenso­ ren mit einem Aufbau entsprechend einem Cassegrain-Teleskop bekannt.

Die Analyse gasförmiger Gemische hat sowohl in der Umweltanaly­ tik als auch in der Prozeßleit- und Überwachungstechnik eine zunehmende Bedeutung erlangt. Die Anforderungen an die Meßsyste­ me bezüglich Empfindlichkeit, Selektivität, Langzeitstabilität, Wartungsintervallen und Lebensdauer steigen beständig. Um bei­ spielsweise in der Umweltanalytik oder in der Überwachungstech­ nik austretendes Gas möglichst schnell erkennen zu können, ist es wünschenswert, die zu überwachenden Bereiche großflächig abzudecken.

Dazu kann eine große Anzahl lokal eng begrenzt messender Senso­ ren dienen, weitaus effektiver sind jedoch optisch abbildende Gassensoren, bei denen das abgestrahlte Licht über große Meß­ strecken läuft (long-open-path-Systeme) und mit denen sich soge­ nannte "optische Zäune" ausbilden lassen. Solche Systeme erlau­ ben Angaben über die mittlere Gaskonzentration in der Meßstrecke. In der Regel ist aber auch nur das Vorhandensein des gesuch­ ten Gases in der Meßstrecke überhaupt, nicht aber dessen sich örtlich ändernde absolute Konzentration von Interesse, so daß die Ermittlung der mittleren Gaskonzentration ausreichend ist. Zudem sind in der Nähe von Chemieanlagen die zu überwachenden Gasarten bekannt, so daß sich die Messung auf bestimmte Spek­ tralbereiche beschränken kann, in denen eine für die zu über­ wachende Gasart charakteristische Absorptionslinie auftritt.

Als Lichtquellen für derartige Meßsysteme sind monomodige Laser­ dioden gut geeignet, deren Preisniveau durch ihre wachsende Verbreitung und Massenproduktion für Anwendungen im Bereich der Nachrichtentechnik in den letzten Jahren beständig gesunken ist. Gegenüber den früher verwendeten thermischen Lichtquellen zeich­ nen sie sich durch eine Reihe von Vorteilen aus: (1.) Sie besit­ zen eine hohe spektrale Intensität, (2.) sie besitzen gegenüber thermischen Lichtquellen eine hervorragende Strahlqualität, (3.) sie haben eine außerordentlich schmalbandige spektrale Emis­ sionsbreite von einigen zehn MHz, (4.) sie bieten hervorragende Amplituden- und Frequenzmodulationseigenschaften, (5.) sie haben eine Lebensdauer von mehreren zehn Jahren und (6.) einen großen optisch/elektrischen Wirkungsgrad.

Aufgrund der guten Modulationsfähigkeit können Meßsysteme mit Diodenlasern spezielle spektroskopische Techniken wie die Deri­ vativspektroskopie nutzen und damit zu einer hohen Selektivität und Nachweisempfindlichkeit für eine Gasart gelangen. Damit können frühere Meßsysteme mit Differenzfiltern oder mit einem Fourierinterferometer bei weitem übertroffen werden. Die Deriva­ tivspektroskopie eignet sich allerdings nur für Gase mit einem ausgeprägten, scharf strukturierten Absorptionsspektrum.

Für die Gasmeßtechnik geeignete Laserdioden - sogenannte monomo­ dige Laserdioden mit DFB- oder DBR-Resonatorstruktur - werden in großer Stückzahl für nachrichtentechnische Anwendungen herge­ stellt, allerdings nur in den Wellenlängenbereichen um 1310 nm und 1550 nm. Will man auf diese Laserdioden zurückgreifen, ist man auf bestimmte Gase wie beispielsweise Methan, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Salzsäure oder Flußsäure beschränkt, die in dem genannten Spektralbereichen Absorptionslinien besitzen.

Da die genannten Nahinfrarot-Laserdioden ein breites Anwendungs­ feld in der Nachrichtentechnik haben, sind zugehörige opto-me­ chanische Elemente wie monomodige Glasfasern, Faserschmelzkopp­ ler als Strahlteiler, Steckverbindungen, usw. gut verfügbar und relativ kostengünstig. Zudem lassen sich kostengünstige Glasop­ tiken bzw. Schutzscheiben aus Glas einsetzen, die in dem Spek­ tralbereich noch hinreichend gut optisch transparent sind. Die einzelnen optischen Elemente lassen sich relativ einfach ohne zeitaufwendiges Justieren zusammenstecken, wenn man von der Einstellung der Abbildungsoptik über die Meßstrecke absieht.

Nachdem sich in den vergangenen Jahren ein Absatzmarkt für La­ serdioden in der Telekommunikationsindustrie herangebildet hat und die Herstellungsverfahren für monomodige DFB-Laserdioden hinsichtlich Stabilität und Reproduzierbarkeit immer weiter verfeinert werden konnten, begann vor wenigen Jahren die Ent­ wicklung der ersten Open-Path-Systeme mit Nahinfrarot-Laserdio­ den als Gassensoren. "Long-Open-Path"-Gassensoren sind z. B. in "Design of an open path near-inf rared diode laser sensor: ap­ plication to oxygen, water, carbon dioxide vapor detection", H.Riris et al., Appl. Opt. volume 33, Nr. 30, Seite 7059 (1994) und "Laser spectroscopy for in situ ammonia monitoring", H.

Ahlberg et al., Spectroscopy Europe 6/2 (1994) beschrieben. Die grundlegenden physikalischen Verfahren zur Gaskonzentrations­ bestimmung (Derivativspektroskopie, FM-Spektroskopie) sind seit vielen Jahren bekannt und in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben.

Wie oben erwähnt, sind Gassensorsysteme mit offener Meßstrecke mit abbildender Spiegelanordnung in einem Newton- oder Casse­ grain-Teleskopaufbau bekannt. Nachteilig an den bekannten Syste­ men ist, daß sich die Strahlung abschwächende optische Elemente wie Spiegel/Strahlteiler im Hauptstrahlengang befinden. Das gleiche gilt für abbildende Systeme mit Linsen, wie etwa das in US Patent Nr. 5 202 570 beschriebene, so daß grundsätzlich eine Abschwächung oder Verminderung der dem Detektor zur Messung zugeführten Lichtmenge und damit des verfügbaren Ausgangssignals eintritt. Ferner ist bei den bekannten abbildenden Spiegelanord­ nungen eine relativ aufwendige Justierung erforderlich, da meh­ rere abbildende Elemente im Strahlengang zueinander in Ausrich­ tung gebracht werden müssen.

Die Verwendung eines einzelnen Tripelspiegels als Retroreflektor mit einer sonst üblichen optischen Anordnung mit Spiegeln und halbdurchlässigen Spiegeln als Strahlteiler ist aus H.I. Schiff et al. The LASAIR-New Remote Sensing Instruments Based on Near Infrared Diode Lasers, in SPIE, Vol. 2366, Seiten 65 bis 69 be­ kannt. Für diese bekannte Vorrichtung ergeben sich die gleichen Probleme der Signalverminderung durch optische Elemente und der aufwendigen Justierung wie oben erläutert. Darüberhinaus hat die Verwendung eines einzelnen Tripelspiegels als Retroreflektor je­ doch verschiedene Nachteile. Ein einzelner Tripelspiegel besteht aus drei jeweils im rechten Winkel zueinander liegenden Plan­ spiegeln, die zwischen sich die Ecke eines Würfels einschließen. Zum einen muß der Tripelspiegel, damit er von dem Laserlicht einigermaßen sicher getroffen wird, eine große Apertur haben, wie in Fig. 5 angedeutet ist. Derartig große Tripelspiegel sind jedoch sehr teuer und nur schwer zu justieren. Weiterhin dürfte der aus nur einem einzelnen Tripelspiegel bestehende Retrore­ flektor nur mit einem kollimierten Laserstrahlenbündel, das parallel oder konvergent ist, bestrahlt werden, da bei einem divergenten Strahlenbündel das reflektierte Strahlenbündel ebenfalls divergent ist, so daß ein Teil des zurücklaufenden Strahlenbündels nicht von dem Hohlspiegel erfaßt wird. Ferner können mechanische Ungenauigkeiten bei der rechtwinkligen Aus­ richtung der drei Einzelspiegel des Tripelspiegels dramatische Auswirkungen auf die Richtung der reflektierten Strahlen haben. Außerdem bedingt die Größe des Tripelspiegels, daß der bei Tri­ pelspiegeln stets auftretende Parallelversatz der reflektierten Strahlen, der vom Auftreffpunkt des jeweiligen Lichtstrahls auf den Tripelspiegel abhängt, nicht mehr vernachlässigbar ist und zu Verlusten von Reflexionslicht führt, so daß das Meßsignal vermindert ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Gassensor mit offener Meßstrecke zu schaffen, dessen optische Abbildungsanordnung eine höhere Empfindlichkeit und eine ein­ fachere Justierbarkeit des Gassensors ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen aufgeführt.

Erfindungsgemäß ist ein Retroreflektor vorgesehen, der eine Matrix mit einer Vielzahl von Tripelspiegeln aufweist. Die Tri­ pelspiegelmatrix wird mit einem Laserstrahlenbündel im wesentli­ chen ganzflächig ausgeleuchtet, das durch eine mittig in einem Hohlspiegel vorgesehene Öffnung als schwach divergentes Laser­ strahlenbündel auf gen entfernten Retroreflektor gerichtet wird. Die Tripelspiegelmatrix reflektiert das leicht divergente Strah­ lenbündel in ein konvergentes Strahlenbündel zurück und wirft es wieder auf den Hohlspiegel. Der Hohlspiegel ist so ausgerichtet oder geformt, daß das reflektierte Laserlicht direkt auf einen außerhalb des Hauptstrahlenganges liegenden Detektor fokussiert wird. In der erfindungsgemäßen Anordnung befinden sich keine abschwächenden optischen Elemente wie Strahlteiler, halbdurch­ lässige Spiegel oder Linsen im Hauptstrahlengang, so daß sich ein erhöhtes auswertbares Signal und damit eine höhere Empfind­ lichkeit oder Reichweite des Sensors ergibt. Es ergibt sich darüberhinaus eine vereinfachte Justierung des Gassensors, da nur ein optisches Element ausgerichtet werden muß. Im Gegensatz zu einem einzelnen Tripelspiegel erweist sich die Verwendung einer Matrix aus Tripelspiegeln als justierunempfindlich. Fer­ ner ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung im Vergleich zu herkömmlichen Spiegelteleskopaufbauten einen kompakteren Aufbau.

Das Laserlicht wird über eine mittig in dem Hohlspiegel vorgese­ hene, für Laserlicht durchlässige Öffnung als schwach divergen­ tes Strahlenbündel eingestrahlt, wobei die Divergenz des Strah­ lenbündels so eingestellt ist, daß der von dem Hohlspiegel weit entfernte Retroreflektor im wesentlichen ganzflächig ausgeleuch­ tet wird. Um einerseits möglichst die gesamte Fläche des Retro­ reflektors auszuleuchten, andererseits das Laserstrahlenbündel aber nur durch eine relativ kleine Öffnung in der Mitte des fokussierenden Hohlspiegels eingestrahlt werden kann, muß mit einem leicht divergenten Laserstrahlbündel gearbeitet werden, wobei der Divergenzwinkel je nach Entfernung des Retroreflektors eingerichtet werden muß. Das Laserlicht kann beispielsweise von der Laserdiode über eine Glasfaserleitung und über einen am Ende der Glasfaserleitung angeordneten Kollimator, der in oder direkt hinter der mittigen Öffnung in dem Hohlspiegel angeordnet ist, auf den Retroreflektor gerichtet werden. Durch den Kollimator wird das aus der Glasfaserleitung stark divergent austretende Laserlicht soweit gebündelt, daß es im wesentlichen auf die Tripelspielgematrix konzentriert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Hohlspiegel durch einen sphärischen Konkavspiegel gebildet, dessen optische Achse so gegen die Achse des aus der mittigen Öffnung zum Retroreflek­ tor laufenden Strahlenbündels gekippt ist, daß das von dem Re­ troreflektor reflektierte und auf den Konkavspiegel treffende Laserstrahlenbündel direkt auf einen außerhalb des Hauptstrah­ lengangs befindlichen Detektor fokussiert wird. Der Hohlspiegel kann alternativ auch durch einen nichtaxialen Parabolspiegel gebildet werden, d. h. durch eine Spiegelfläche eines Parabol­ spiegels entfernt von seiner optischen Achse, die so geformt ist, daß das von dem Retroreflektor reflektierte Laserstrahlen­ bündel auf den außerhalb des Hauptstrahlengangs zwischen Retro­ reflektor und Hohlspiegel angeordneten Detektor fokussiert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Tripelspiegelma­ trix des Retroreflektors aus einem handelsüblichen Kunststoff-Retroreflektor gebildet, wie sie als Reflektoren für Licht­ schranken, Fahrradreflektoren oder andere Rückstrahler verwendet werden, wobei aber vorzugsweise nicht deren ebene Vorderseite, sondern ihre Rückseite, in die bei der Herstellung bereits eine Matrix aus regelmäßig angeordneten Tripelspiegelelementen einge­ prägt worden ist, verwendet wird. Zur Verbesserung der Refle­ xionseigenschaften kann eine dünne Metallschicht, beispielsweise eine Goldschicht, aufgedampft werden. Diese Ausführungsform des Retroreflektors zeichnet sich durch besonders niedrige Kosten aus, da derartige Kunststoff-Reflektoren in Massenproduktion hergestellt werden.

Bei kurzen Gasmeßstrecken kann sogar die ebene Seite (Vordersei­ te) eines Retroreflektors als Reflexionsfläche gewählt werden. Zwar verschlechtern sich dadurch die Reflexionseigenschaften, dafür ist jedoch ein handelsübliches Element ohne Umbau ver­ wendbar.

Für die Signalauswertung können die an sich bekannten Verfahren mit einer Signalauswertung bei der einfachen (1f), der doppelten (2f) und der dreifachen Modulationsfrequenz (3f) verwendet wer­ den. Ferner wird vorzugsweise das sogenannte "Line-Locking" mit Hilfe einer Referenzgasküvette angewendet, um die Wellenlänge der Laserstrahlung auf die Absorptionslinie zu stabilisieren. Zur Signalauswertung kann ferner eine Normierung, wie in US Pa­ tent Nr. 5 202 570 beschrieben, verwendet werden. Da zwischen der Strommodulation und der abgestrahlten modulierten Laser­ lichtleistung ein nichtlinearer Zusammenhang besteht, der bei einem derivativspektroskopischen Nachweisverfahren zu uner­ wünschten Oberwellen führt, wird vorzugsweise auf ein Leistungs­ regelungsverfahren zurückgegriffen, wie es in DE 41 10 095 A1 beschrieben ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Gassensors ist ferner eine im sichtbaren Bereich abstrahlende Laserdiode vorhanden, deren Licht in die zentrale Öffnung, z. B. über die erste Glas­ faserleitung und den Kollimator, einstrahlbar ist, um so eine Ausrichtung des Hohlspiegels auf den Retroreflektor zu ermögli­ chen, indem der Benutzer den sichtbaren Lichtfleck mit Hilfe eines Teleskops beobachtet und den Hohlspiegel so ausrichtet, daß der Lichtfleck möglichst genau auf den Retroreflektor ausge­ richtet wird. Für eine weitere Feinjustierung kann das phasen­ gleichgerichtete 1f-Signal verwendet werden, das durch Amplitu­ denmodulation des Laserlichts entsteht und auch ohne Gasabsorp­ tion stets vorhanden sein sollte. Das Signal kann z. B. in einem Spannungsfrequenzwandler in ein akustisches Signal umgesetzt werden, so daß der Benutzer anhand der Tonhöhe des Signals die Justierung optimieren kann. Diese Art der Justierung hat einer­ seits den Vorteil, daß sich der Benutzer während der Justierung nicht auf eine optische Anzeige konzentrieren muß, und ermög­ licht andererseits eine sehr exakte Justierung, da das mensch­ liche Gehör für Tonhöhenunterschiede sehr sensitiv ist.

Grundsätzlich kann durch Auswahl einer geeigneten Laserdiode jedes im NIR absorbierende Gas mit scharf ausgeprägter Linien­ struktur erfaßt werden. Es ist daher auch möglich, Laserlicht von verschiedenen Laserdioden mit verschiedenen Wellenlängen mit Hilfe eines sogenannten "Wavelength-Division-Multiplexers" (Glasfaserstrahlkoppler mit mehreren Eingängen und einem Aus­ gang) in eine gemeinsame Glasfaser zusammenzukoppeln und somit gleichzeitig mehrere Gase mit nur einer Sensoranordnung zu mes­ sen. In diesem Fall wären mehrere Referenzgasküvetten mit den entsprechenden verschiedenen Gasen oder eine Referenzgasküvette mit dem entsprechenden Gasgemisch vorzusehen. Um die den einzel­ nen Gasen entsprechenden Signale wieder voneinander trennen zu können, könnten verschiedene Modulationsfrequenzen für die ein­ zelnen Laserdioden verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine schematische Übersicht über den Aufbau eines erfindungsgemäßen Laserdioden-Gassensors zeigt;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der optischen Elemente zur Erläuterung der Funktion des erfindungsgemäßen Gassensors zeigt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer alternativen Aus­ führungsform eines Hohlspiegels zur Verwendung in dem Gassensor zeigt;

Fig. 4 eine Ausführungsform des Retroreflektors im Schnitt zeigt; und

Fig. 5 einen schematischen Aufbau mit einem einzelnen Tripelspiegelelement, der keine Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung darstellt, zur Erläuterung der Funktion eines einzelnen Tripelspiegels zeigt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Übersicht über den Laserdioden-Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor läßt sich im wesentlichen in drei getrennte Hauptkomponenten unter­ teilen: Die Steuerungs- und Auswerteeinheit 1, den Lasermeßkopf 2 und die Reflektoreinheit 3, wobei sich zwischen den letzteren eine optische Meßstrecke d befindet, die in typischen Anwen­ dungsfällen eine Länge von einigen hundert Metern hat. Die Steu­ er- und Auswerteeinheit 1, die auch die Laserdiode 90 enthält, ist mit dem Lasermeßkopf 2 über eine erste Glasfaserleitung 98 verbunden, eine weitere Verbindung zwischen den beiden Einheiten besteht in der elektrischen Leitung 62, die die Signale des Lasermeßkopfs 2 zur Auswertung an die Steuer- und Auswerteein­ heit 1 weiterleitet.

Die Steuer- und Auswerteeinheit 1 enthält in einem Einschubsy­ stem eine hermetisch verkapselte DFB-Laserdiode 90 mit festem Glasfaseranschluß, der ein Peltier-Kühlelement, ein Thermistor und eine Monitordiode zugeordnet ist. Ferner ist ein Laserdio­ densteuergerät 108 für die Leistungs- und Temperaturregelung der Laserdiode 90, eine Referenzgasküvette 94 mit dem zu messenden Gas sowie eine Schaltung 104 zur phasenempfindlichen Signalaus­ wertung bei der einfachen (1f), eine Schaltung 102 zur phasen­ empfindlichen Signalauswertung bei der doppelten Frequenz (2f) und eine Schaltung 110 zur phasenempfindlichen Signalauswertung bei der dreifachen Modulationsfrequenz (3f) vorhanden. Das La­ serdiodensteuergerät 108 steuert die Laserdiode 90 mit einer sinusförmigen Modulation des Injektionsstroms an, wodurch sich zwangsläufig eine Amplituden- sowie eine Wellenlängenmodulation des durch die Laserdiode 90 erzeugten Laserlichtes ergibt.

Die Intensitätsmodulation trägt bei phasenempfindlicher Gleich­ richtung nur zu einem Signal bei der einfachen Modulationsfre­ quenz (1f) bei. Da dieses Signal auch ohne Anwesenheit des Gases vorhanden ist und bei geringer Absorption nur von der Laserin­ tensität abhängt, eignet es sich zur Signalnormierung. Eine solche Normierung wird in der Steuer- und Auswerteeinheit 1 in der Normierungseinheit 106 vorgenommen. Der phasengleichgerich­ tete Anteil durch die Wellenlängenmodulation tritt dagegen bei der ersten, zweiten und höheren harmonischen der Grundfrequenz nur bei Gasabsorption auf, und das 2f-Signal stellt ein Maß für die mittlere Gaskonzentration dar.

Ferner sind in der Auswerte- und Steuereinheit 1 ein Hochfre­ quenzgenerator 112 für die Modulation und eine Prozessoreinheit 114 vorhanden, die Auswertung und Anzeige von Ergebnissen und allgemeine Steueraufgaben ausführt.

Um die Wellenlänge der Laserstrahlung der Diode 90 auf das spek­ trale Transmissionsminimum der Absorptionslinie zu stabilisieren (Line-Locking), wird ein Teil des von der Laserdiode 90 abgestrahlten Laserlichtes durch einen Strahlteiler 92 aus dem Hauptstrahl ausgekoppelt und über eine zweite Glasfaserleitung 93 zu einer Referenzgasküvette 94 geführt und mit Hilfe einer Gradientenindex-Stablinse auf einen InGaAs-Photodetektor 96 fokussiert. Die Aufteilung in einen Meß- und einen Referenzla­ serstrahl geschieht in dem Strahlteiler 92 mittels eines übli­ chen Faserschmelzkopplers, wobei zur Referenzmessung nur ein Bruchteil von typischerweise weniger als 1% der gesamten opti­ schen Leistung der Laserdiode 90 notwendig ist. Die Stabilisie­ rung auf das Linienminimum als lokalen Extremwert erfolgt durch eine PI-Temperaturregelung des Chips, auf dem die Laserdiode gebildet ist, wobei zweckmäßigerweise der Nullpunkt der dritten Ableitung, der der spektralen Lage des Linienminimums ent­ spricht, als Regelsollwert gewählt wird.

Da zwischen der Strommodulation und dem austretenden modulierten Laserlicht ein nichtlinearer Zusammenhang besteht, der bei einem derivativspektroskopischen Nachweisverfahren zu unerwünschten Oberwellen führt, wird vorzugsweise ein Leistungsregelungsver­ fahren, wie in DE 41 10 095 A1 beschrieben, angewendet. Signal­ schwankungen durch äußere Umwelteinflüsse wie Regen, Nebel, Verschmutzung auf den optisch abbildenden Elementen oder ähn­ liches, aber auch durch Änderung der Diodenlichtleistung, Am­ plitudenänderungen durch Bewegungen der Glasfaserleitungen usw. heben sich durch die Normierung des empfangenen Signals weitge­ hend auf. Die Signalnormierung I_2f/I_1f kann auch mit Hilfe eines Computers erfolgen, der auch die weitere Auswertung wie die Signalfilterung übernimmt, und insofern die Funktionen der Ein­ heiten 106 und 114 übernehmen kann, und schließlich die über die Wegstrecke d integrierte Gaskonzentration anzeigt. Eine Be­ schreibung des Normierungsverfahrens findet sich z. B. in der schon genannten US Patentschrift Nr. 5 202 570.

Zwischen dem Lasermeßkopf 2 und dem Retroreflektor 3 befindet sich die optische Meßstrecke d. Dem Lasermeßkopf 2 wird das Laserlicht der Laserdiode 90 über den Strahlteiler 92 und die erste Glasfaserleitung 98 zugeführt, die durch ein monomodiges Glasfaserkabel gebildet wird. Am Ende der ersten Glasfaserlei­ tung 98 ist ein kommerziell erhältlicher, kompakt aufgebauter Kollimator 24 angeordnet. Der Kollimator 24 dient dazu, das aus der ersten Glasfaserleitung 98 divergent austretende Laserlicht (Divergenzwinkel z. B. ca. 15°) so weit zu kollimieren, daß das aus dem Kollimator 24 austretende, leicht divergente Laser­ strahlenbündel nach Durchlaufen der Meßstrecke d die Fläche des Retroreflektors 50 im wesentlichen ganzflächig ausleuchtet. Das aus dem Kollimator 24 austretende Laserstrahlenbündel tritt durch eine für das Laserlicht durchlässige mittige Öffnung 22 in dem Hohlspiegel 20, um das Strahlenbündel auf den Retroreflektor 50 zu richten. Der Kollimator 24 befindet sich unmittelbar hin­ ter dem Hohlspiegel 20, der so gekippt ist, daß das aus der mittigen Öffnung 22 austretende und von dem Retroreflektor 50 auf den Hohlspiegel 20 zurückgeworfene Laserstrahlbündel direkt auf den Detektor 60, der außerhalb des Hauptstrahlengangs zwi­ schen Retroreflektor 50 und Hohlspiegel liegt, fokussiert wird.

Der Retroreflektor 50 wird durch eine Matrix aus Tripelspiegeln 52 gebildet (Fig. 2). Die Tripelspiegel 52 bedecken die Ober­ fläche des Retroreflektors 50 in dichter und regelmäßiger Anord­ nung. Die Tripelspiegel 52 haben an ihren oberen Kanten eine Abmessung von einigen mm, z. B. im Bereich von 1 bis 5 mm.

Wie in Fig. 2 gezeigt, wird das leicht divergente Laserstrah­ lenbündel aus dem Kollimator 24 nach Durchlaufen der optischen Meßstrecke d an dem Retroreflektor 50 so reflektiert, daß es als konvergent reflektiertes Laserstrahlenbündel zu dem gekippten Hohlspiegel 20 zurückkehrt. Dieses Reflexionsverhalten ergibt sich aus den optischen Eigenschaften einer Matrix von Tripel­ spiegeln 52, die einen einfallenden Lichtstrahl bis auf einen Versatz, der in der Größenordnung der Öffnung des Tripelspiegel­ elements liegt, in der der Einfallrichtung entsprechenden Rich­ tung reflektieren, wie beispielsweise anhand von Fig. 5 zu erkennen ist. Da gemäß der vorliegenden Erfindung ein Retrore­ flektor 50 bestehend aus einer Matrix aus einer Vielzahl von Tripelspiegeln 52 verwendet wird, spielt der Versatz bei der Reflexion im Verhältnis zur Gesamtausdehnung des Retroreflektors 50 praktisch keine Rolle, so daß das leicht divergente Laser­ strahlenbündel, das sich ausgehend von dem Kollimator 24 so weit auffächert, daß es nach Durchlaufen der Meßstrecke d den Retro­ reflektor 50 im wesentlichen ganzflächig ausleuchtet, als kon­ vergentes Laserstrahlenbündel auf den Hohlspiegel 20 reflektiert wird, der es aufgrund seines Kippwinkels auf den außerhalb des Hauptstrahlengangs angeordneten Detektor 60 fokussiert. Wie bereits erwähnt, haben die Tripelspiegelelemente an ihrer Öff­ nungsfläche Kantenlängen von einigen Millimetern, typischerweise 1 bis 5 mm, so daß der Strahlversatz im Vergleich zur Gesamt­ fläche der Matrix praktisch keine Bedeutung hat.

Der beschriebene Aufbau erlaubt somit eine großflächige Aus­ leuchtung des Retroreflektors 50 mittels eines divergenten Strahlenbündels, wobei dieses nach der Reflexion konvergente Eigenschaften besitzt. Das Licht kann daher mit Hilfe eines relativ kleinen Hohlspiegels 20 verlustarm auf den Detektor 60 fokussiert werden. Durch die großflächige Ausleuchtung des Re­ troreflektors 50 führen lokale Verunreinigungen, wie Regentrop­ fen, Staubpartikel oder Schmutzteilchen des Reflektors zu keiner nennenswerten Signalabschwächung.

Durch die direkte Fokussierung des reflektierten Strahlenbündels durch den Hohlspiegel 20 auf den Detektor 60, ohne Zwischen­ schaltung eines weiteren optischen Elements, wird eine unnötige Abschwächung der auswertbaren Lichtintensität vermieden, oder anders ausgedrückt, eine hohe Ausgangssignalhöhe erzielt, so daß die optische Meßstrecke d in der erfindungsgemäßen Anordnung sehr groß sein kann.

Die Matrixanordnungen aus Tripelspiegeln 52 sind kostengünstig herstellbar, da flächige Kunststoff-Rückstrahler, die auf ihrer Rückseite eine regelmäßige Anordnung von eingeprägten Tripel­ spiegelelementen aufweisen, verwendet werden können und insofern relativ günstig zur Verfügung stehen. Die Reflexionseigenschaf­ ten können durch Aufbringen einer sehr dünnen Metallschicht, beispielsweise durch Aufdampfen einer Goldschicht, verbessert werden.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Hohlspiegels 20′. Der Hohlspiegel 20′ ist asymmetrisch, nichtaxial ausgebil­ det, d. h. stellt ein Oberflächenelement eines Konkavspiegels entfernt von der gedachten optischen Achse des Konkavspiegels dar. Dadurch wird eine Fokussierung von einfallendem Licht auf den auf der gedachten optischen Achse, außerhalb des Hauptstrah­ lengangs, liegenden Brennpunkt bewirkt, in dem der Detektor 60 angeordnet ist.

Fig. 4 zeigt einen Retroreflektor 50 für den Gassensor. Der Retroreflektor 50 weist auf einer Seite eine regelmäßige Anord­ nung oder Matrix von einzelnen Tripelspiegeln 52 auf. Die Tripelspiegelmatrix des Retroreflektors 50 wird durch eine Glas­ scheibe 59 gegen Außeneinflüsse geschützt. Weiterhin ist eine Schutzabdeckung 54 vorgesehen, die die Glasscheibe 59 vor Um­ welteinflüssen und Verschmutzung schützen soll. Die Wand 56 dient als Abschluß und zur Stabilisierung.

Fig. 5 zeigt den Strahlenverlauf bei Beleuchtung mit kollimier­ tem Licht und einem einzelnen Tripelspiegel 53. Es ist eine große Apertur erforderlich, damit der Spiegel einigermaßen si­ cher vom Licht getroffen wird. Derartige Tripelspiegel 53 sind teuer und schwer zu justieren. Hieraus ergeben sich unmittelbar die Vorteile einer Matrixanordnung von Tripelspiegeln 52, wie in der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung ver­ wendet.

Claims (9)

1. Laserdioden-Gassensor zur spektroskopischen Messung minde­ stens einer Komponente einer Gasprobe, mit einem Retrore­ flektor und einem Hohlspiegel, die zwischen sich eine Meß­ strecke mit der zu untersuchenden Gasprobe definieren, mit einer Laserdiode, die Laserlicht auf den Retroreflektor richtet, und-mit einem Detektor, auf den von dem Retrore­ flektor und dem Hohlspiegel reflektiertes Laserlicht ge­ richtet wird, um dessen Intensität nach Durchlaufen der optischen Meßstrecke zu bestimmen und anhand dessen ein Maß für die Konzentration der zu untersuchenden Gaskomponente zu gewinnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (50) eine Matrix aus einer Vielzahl von Tripelspiegeln (52) aufweist, daß der Hohlspiegel (20) mittig mit einer für das Laserlicht durchlässigen Öffnung (22) versehen ist, durch die ein schwach divergentes Laser­ strahlenbündel auf den Retroreflektor (50) gerichtet wird, so daß die Tripelspiegelmatrix im wesentlichen ganz flächig ausgeleuchtet wird, und daß der Hohlspiegel (20) so ange­ ordnet oder geformt ist, daß das von dem Retroreflektor (50) reflektierte Laserstrahlenbündel durch den Hohlspiegel (20) direkt auf den Detektor (60), welcher außerhalb des Hauptstrahlenganges des vom Retroreflektor (50) reflektier­ ten Laserstrahlenbündels angeordnet ist, fokussiert wird.

2. Laserdioden-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die optische Achse des Hohlspiegels (20) so gegen die Achse des aus der mittigen Öffnung auf den Retroreflek­ tor (50) gerichteten Strahlenbündels gekippt ist, daß der Hohlspiegel (20) das vom Retroreflektor (50) reflektierte Laserstrahlenbündel direkt auf den außerhalb des Haupt­ strahlenganges zwischen Retroreflektor (50) und Hohlspiegel (20) liegenden Detektor (60) fokussiert.

3. Laserdioden-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hohlspiegel durch einen nichtaxialen Parabol­ spiegel (20′) gebildet wird, der so geformt ist, daß das von dem Retroreflektor (50) reflektierte Laserstrahlenbün­ del auf den außerhalb des Hauptstrahlenganges zwischen Retroreflektor (50) und Parabolspiegel (20′) angeordneten Detektor (60) fokussiert wird.

4. Laserdioden-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht von der Laserdiode (90) über eine erste Glasfaserleitung (98) und durch einen am Ende der Glasfaserleitung angeordneten Kol­ limator (24) durch die mittige Öffnung (22) des Hohlspie­ gels (20) auf den Retroreflektor (50) gerichtet wird.

5. Laserdioden-Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß ein faseroptischer Strahlteiler (92) einen Groß­ teil des Laserlichtes der Laserdiode (90) in die erste Glasfaserleitung (98) einkoppelt, während ein übriger Teil des Laserlichtes in eine zweite Glasfaserleitung (93) ein­ gekoppelt wird, die Laserlicht auf eine Referenzgasküvette (94) richtet, hinter der ein Fotodetektor (96) angeordnet ist.

6. Laserdioden-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff-Retrore­ flektor eine Tripelspiegelmatrix aufweist, in dessen Ober­ fläche eine regelmäßige Anordnung von Tripelspiegelelemen­ ten eingeprägt ist und die mit einer dünnen Metallschicht, vorzugsweise einer Goldschicht, bedampft ist.

7. Laserdioden-Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß eine im sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitende Laserdiode (90) vorhanden ist, von der sichtbares Laser­ licht in die erste Glasfaserleitung (98) einkoppelbar ist, um den aus der mittigen Öffnung (22) des Hohlspiegels (20) austretenden Lichtstrahl auf den Retroreflektor (50) op­ tisch ausrichten zu können.

8. Laserdioden-Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß in einer Steuer- und Auswerteeinheit (2) Mittel vorgesehen sind, die das durch Amplitudenmodulation des Laserlichts entstehende, phasengleichgerichtete 1f-Signal verwenden und durch eine Spannungsfrequenzwandlung in ein akustisches Signal umsetzen, so daß ein Benutzer anhand der Tonhöhe des akustischen Signals die Justierung des Gassen­ sors optimieren kann.

9. Laserdioden-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl monomodiger, jeweils bei einer anderen Wellenlänge arbeitender Laserdio­ den und ein Glasfaserstrahlkoppler mit mehreren Eingängen und einem Ausgang vorhanden sind, wobei jeweils eine der Laserdioden auf einen der Eingänge des Glasfaserstrahlkopp­ lers einstrahlt und der Ausgang des Glasfaserstrahlkopplers mit der mittigen Öffnung (22) des Hohlspiegels (20) ver­ bunden ist, um das überlagerte Laserstrahlenbündel der Mehrzahl von Laserdioden auf den Retroreflektor (50) zu richten.