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Lichtquellen für die Laserspektroskopie, Spurengasanalyse-Systeme,
Gaszellen, Detektoren, Spurengasanalysesysteme, Software, Lasertreiber
Faserkopplungen mit homogener, spektraler Dämpfung
Hyperspektralkamera mit extrem geringem Streulicht
Lichtquellen für die Laserspektroskopie:
Laserspektroskopie im MIR
Für spektroskopische Anwendungen mit höherer spektraler Auflösung im MIR empfehlen wir grundsätzlich Quantenkaskadenlaser mit DFB-Struktur, die wegen ihrer geringen Linienbreite hervorragende Ergebnisse liefern
Für Applikationen, die höhere Leistungen erfordern, bieten wir Ihnen Fabry-Perot-Laser an. Bitte prüfen Sie die Linienbreite bei spektroskopischen Anwendungen.
Hier finden Sie eine detaillierte technische Beschreibung der Quantenkaskadenlaser in deutscher Sprache mit Ersatzschaltbildern, thermischem Verhalten etc.. Ein Liste mit Antworten auf uns häufig gestellte Fragen finden Sie unter “Frequently asked Questions (FAQs)”
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Mit breitbandig durchstimmbaren Laser kann in der Spektroskopie die Anzahl der benötigten Laser verringert und gleichzeitig die Anzahl der detektierbaren Gase vergrößert werden.Den maximalen Durchstimmbereich bieten die gepulsten Laser der Über Tuner-Serie, die je nach Wellenlänge über bis zu 250 Wellenzahlen durchgestimmt werden können. Ein Tabelle der Über Tuner-Wellenlängen und Durchstimmbereiche finden Sie hier. Sie nutzen so genannte externe Resonatoren, mit denen die Emissionswellenlänge per Computer über einen großen Bereich verstellt werden kann. Das Besondere an den External-Cavity-Lasern (abgekürzt ECL, MIR-ECL oder EC-QCL) ist Ihre Emissionswellenlänge im mittleren Infrarot (MIR) oder genauer im Intervall von 870cm-1 bis 3030 cm-1 beziehungsweise 3,3 µm bis 11,5µm. Eine Tabelle mit Wellenlängen und Lasertypen finden Sie hier.
Es gibt durchstimmbare Laser für reinen Pulsbetrieb und Puls- und CW-Betrieb. Der besseren Unterscheidbarkeit halber werden Letztere von uns als CW-Laser bezeichnet, obwohl sie für beide Betriebsarten geeignet sind. Mit diesen Lasern können Sie jede beliebige Wellenlänge in einem sehr breiten Wellenzahlbereich einstellen, der je nach individuellem Laser bis zu 100cm-1 breit sein kann. Als Spezialanfertigung werden unter der Bezeichnung „Extra Wide Tuning“ auch Systeme mit einem Durchstimmbereich von über 150cm-1 geliefert werden. Der an einem Forschungslaser erzielte Rekord liegt zur Zeit bei 324cm^-1 Durchstimmbereich.
Bei einigen Applikationen ist es weniger wichtig verschiedene Wellenlängen einzustellen, sondern viel mehr ein etwas schmaleres Wellenlängenintervall kontinuierlich abzufahren. Daylight Solutions ist es gelungen durch geeignete konstruktive und steuerungstechnische Maßnahmen sprunghafte Änderungen der Wellenlänge während des Scans zu unterdrücken. Diese so genannten „Mode-Hop-Free“-Laser sind immer für den CW-Betrieb ausgelegt. Deren durchstimmbares Wellenlängenintervall ist schmaler. Rufen Sie uns an, um Ihre speziellen Anforderungen zu besprechen.
Es gibt die External Cavity Laser auch mit werksseitig fixierter Wellenlänge. Sie werden auch Fixed-Wavelength-MIR-Laser genannt. Mit ihnen können Wellenlängen sehr einfach und schnell bereitgestellt werden, die mit herkömmlichen DFB-Lasern noch nicht hergestellt wurden oder vergriffen sind. Die Treiber sind für alle Modelle identisch.
Diese Technologie hat sich bereits in der hochauflösenden Spurengasanalyse bewährt. Ganz neu ist der Einsatz in der abbildenden oder bildgebenden Spektrometrie. In anderen Veröffentlichung findet man auch den Begriff Hyper-Spectral Imaging, der nichts anderes besagt, als das hinter jedem Pixel eines Bilds ein Spektrum hinterlegt ist, das mit spezieller Software ausgewertet werden kann. Ein kleines Video (20MB) zeigt am Beispiel von SF6, wie unsichtbare Gaswolken mittels Laser und einer Infrarotkamera sichtbar gemacht werden können. Die zweite Anwendung ist ein Mikroskop von Neaspec in Martinsried (S-SNOM), das die lokalen optischen, chemischen und elektronischen Eigenschaften Nanostrukturen mit 10nm bis 30nm auflösen kann.
Q-MACS-Basic ist ein Quantenkaskadenlaser im Labor-Gehäuse mit Treiberelektronik für Laser und Peltierelement, optionalem Kühlwasseranschluss zur hochgenauen thermischen Stabilisierung sowie einer Steuer-Software (Q-MACS-Soft-Driver) zum automatisierten Betrieb des Lasers. Standardmäßig sind Pulsweiten von 8ns bis zu 256 ns lieferbar und beim Q-MACS-Basic-Pulse/CW zusätzlich Dauerstrichbetrieb. Damit können Sie den selben Treiber für gepulste oder moderne CW-LAser nutzen. Auf Wunsch können auch längere Strompulse realisiert werden. Der Laserkopf ist über ein 2m langes Kabel mit der Treiberelektronik verbunden und kann so flexibel in den Aufbau integriert werden. Ein Wasseranschluss ist vorhanden, muss aber nicht zwingend benutzt werden.
Sowohl Q-MACS-Basic- und Q-MACS-Basic-CW+PModelle sind auch als Quantenkaskadenlasertreiber erhältlich und können mit Lasern auf Submounts betrieben werden.
Q-MACS-Basic 1.5 TO8 ist mit den Außenmaßen 25x25x50 mm³ deutlich kleiner als Q-MACS-Basic. Das System umfasst den Quantenkaskadenlaser im TO-8-Gehäuse, integrierte Treiberelektronik, Kühlwasseranschluss und externe Spannungsversorgung sowie einer Steuer-Software (Q-MAC-Soft-Driver) zum automatisierten Betrieb des Lasers. Das Lasergehäuse misst nur 25x25x50 mm³ Die Pulsbreiten können zwischen 10ns und 1000ns variiert werden. Der eingebaute Wasseranschluss muss nicht zwingend benutzt werden.
Das Q-MACS-Basic plus enthält zusätzlich zum Leistungsumfang des Q-MACS-BASIC eine Kollimations- und Justageoptik zur genauen Fokussierung und Strahlausrichtung. Der gesamte Aufbau wurde mit Gold-beschichteten Off-Axis-Paraboloid- und Planspiegeln realisiert, um Verluste, Rückreflexionen und Etaloning-Effekten auf ein Minimum zu reduzieren. Diese Störeffekte können nicht immer einfach vom eigentlichen Messsignal getrennt werden, weshalb wir sie schon an der Quelle eliminiert haben.
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Gaszellen, Detektoren, Spurengasanalysesysteme, Auswertesoftware, Treiberelektroniken
Um absolute Molekülkonzentrationen im ppb (parts per billion/ Konzentrationen im Bereich 10-9) zeitaufgelöst zu messen, bietet sich das Q-MACS-Trace-System an. Es arbeitet nach dem Prinzip der Absorbtionsspektroskopie im mittleren Infrarot und seine Empfindlichkeit wird durch Verwendung verschiedener Gaszellen zwischen 3,6m und 100m Weglänge eingestellt. Zusätzlich kann die optische Weglänge jeder Zelle einfach um den Faktor 10 verkürzt beziehungsweise verlängert werden. Die Zeitauflösung der Konzentrationsmessung liegt im Millisekundenbereich und kann deshalb auch zur Untersuchung schneller Prozesse oder zur Geschwindigkeitssteigerung bei Serientests genutzt werden. Die Messung erfolgt durch Verstimmung des Lasers durch seinen Chirp während des Pulses (intra pulse mode) oder durch Verstimmung zwischen den einzelnen Pulsen (inter pulse mode). Pulsfolgefrequenzen von bis zu 1 MHz sind möglich. Der Quantenkaskadenlaser kann von -35°C bis +40°C betrieben werden, um einen relativ breiten Spektralbereich abzudecken.
Für Anwendungen die zusätzlich eine gewisse Mobilität erfordern oder räumlich stark beschränkt sind, wurde der Q-MACS-Trace-Compact entwickelt.
Q-MACS Process ist ein dreikanaliges Infrarot-Laserspektrometer für die absolute Konzentrationsmessung im Produktionsprozess mittels MIR-Absorption. Durch Nutzung von drei Kanälen verbessern sich das Signal-Rauschverhältnis, die Zuverlässigkeit und die Langzeitstabilität der Messungen. Die schnelle Reaktionszeit im Millisekundenbereich und die Konfiguration als „Open-Path-System“ erlaubt nicht nur die Prozesskontrolle, sondern auch die aktive Prozessregelung in der Produktionslinie.
Der Q-MACS-Process-Fibre misst in 2 Messkanälen in einer MIR-Faser.
Das Q-MACS Process Plus ist eine erweiterte Form des Q-MACS-Process. Es enthält eine zusätzliche Herriott- oder White-Zelle.
Mit der Q-MACSSoft Driver & SDK Steuersoftware werden die Laserparameter (Temperatur, Spannung, Strom, Pulsbreite und -frequenz) eingestellt und definiert. Ein Hardwaretriggerausgang (TTL) erlaubt die einfache Steuerung von Verstärkern und anderen Geräten und ihre Synchronisation im Aufbau. Das Programm bietet außerdem ein Software-Development-Kit mit Beispielprogrammen in VC++, Visual Basic von Microsoft und C++ und Delphi von Borland, damit Sie schnell lauffähige Programme erstellen und mit den eigentlichen Messungen anfangen können.
Um von der Absorptionskurve auf die Konzentration einer Spezies schließen zu können sind, weitere Informationen notwendig, die das Programm Q-MACS Soft HT zur Verfügung stellt. Diese Software simuliert aus den vorgegebenen Stoffen und deren Partialdruck ein Spektrum oder berechnet aus dem gemessenen Spektrum und den Prozessparametern die Konzentrationen der einzelnen Komponenten. Basis ist die umfangreiche HITRAN-Datenbank.
Die Multi-Pass-Optics ist mit ihren Gold-beschichteten Spiegeln speziell auf die Besonderheiten der MIR-Spektroskopie abgestimmt und erlaubt Messungen mit einem maximalen Strahldurchmesser von 15mm bei typischerweise 4 bis 32 Durchgängen. Noch größere effektive Absorptionslängen bietet das Q-MACS-Langwegzellen-Board, mit der Möglichkeit den Q-MACS IR-Detektor (IRDM-600) direkt zu integrieren. Verschiedene Herriott-Zellen mit maximalen Weglängen von 36m, 54m,76m und 100m stehen zur Auswahl.
Als relative Wellenlängenreferenz bietet sich das Q-MACS Ge Etalon an, das in verschieden Längen lieferbar ist und somit auf den überstrichenen Wellenlängenbereich optimiert werden kann. Der Ge-Einkristall besitzt einen lichten Durchmesser von 25,4mm (1“) und ist in Längen von 25,4 mm (1“) oder 76,2mm (3“) erhältlich. Es ist im Wellenlängenintervall von 2 µm bis 20µm (5000cm-1 bis 500cm-1) einsetzbar.
Als absolutes Frequenznormal bieten wir die Q-MACS Reference Gas cell an. Sie ist ähnlich dimensioniert wie der kompakte Q-MACS Basic 1.5 TO8 Laser und kann so leicht in Labor und Industrieanwendungen integriert werden. Die Absorptionslänge beträgt 50mm und die lichte Weite 17mm. Die Zelle kann mi verschiedenen Referenzgasen befüllt werden.
Entscheidend für die Qualität der Messung ist die rauscharme und zuverlässige Detektion des Signals. Der Q-MACS IR Detector (IRDM-600) enthält einen schnellen Ultra-Low-Noise-Vorverstärker, der direkt am Detektor platziert und gegen Einstreuungen abgekapselt ist. So können elektromagnetische Störungen das Signal nicht beeinflussen, wodurch Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit steigen. Zusätzlich wird das thermische Rauschen des HgCdTe-Detektors durch mittels thermoelektrischer Kühlung minimiert. Das 2- oder 3- stufige Peltier-Element nutzt den angebauten Kühlkörper oder zusätzlich die eingebaute Wasserkühlung als Wärmesenke. Es können verschiedene Detektoren eingebaut werden, damit dessen spektrale Empfindlichkeit optimal zum Experiment passt.
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IR-Fasern und Komponenten:
Glasfasern, die zur Führung von mittlerer Infrarot-Strahlung (MIR) zwischen 2µm (=5000 cm-1) und 5µm (=2000 cm-1 ) benutzt werden, werden als MIR-Fasern bezeichnet. Es stehen speziell auf Ihre Anwendung optimierte Versionen als Single-Mode-MIR-Faser und Multi-Mode-MIR-Faser zur Verfügung:
Übersicht über MIR-Fasern
iGuide MM-MIR-Fasern mit flacher Dämpfungskurve
iGuide Mode MIR-Faser mit Breitbandtransmission von 0,4 bis 4,5µm,
iGuide Single Mode MIR-Faser für optimale Strahlparameter,
High Power-MM-MIR-Faser mit hoher Koppeleffizienz
zur Verfügung. Wir möchten Sie besonders auf die Eignung für Er:YAG, Er:YSGG und CrY:SGG Laser in der Chirurgie und Dermatologie hinweisen.
Optische Spezifikationen
Dämpfung (Attenuation / Loss )
Single-Mode- und Multi-Mode-Fluorid-Fasern besitzen im Vergleich zu anderen Materialen und Technologien eine um den Faktor 10 bessere, das heisst geringere Dämpfung im Bereich des MIR. Alle Fasern, die aus Glas gezogen werden, haben unterschiedlich starke OH-Verunreinigungen, die Strahlung absorbieren und zusätzlich zu starken Absorptionen bei 2,94µm (Er:YAG) führen. IR-Photonics hat einen Fertigungsprozess entwickelt, mit dem sehr geringe Verunreinigungen in das Glas eintreten können und der einen sehr geringen OH-Anteil im Material ermöglicht.
Bei dem Bau eines faseroptischen Sensors bedeuten geringere Verluste im Glas der Einkoppeloptik und in der Faser eine deutlich besseres Signal/Rauschverhältnis, das wiederum zur Empfindlichkeitssteigerung oder zur Kostensenkung durch geringere Laserleistungen genutzt werden kann. Bei medizinischen Anwendungen führen geringere Verluste zu niedrigerem Energiebedarf und handlicheren Geräten.
Biegeverluste (Bending Losses )
IR-Photonics hat eine ZBLAN-Fluorid-Faser entwickelt (Fluorzirkonat: ZrFM4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF), die quasi keine Biegungsverluste mehr aufweist. Diese Eigenschaft ist extrem hilfreich bei der Konstruktion von medizinischen Lasern, deren Ausgangsleistung genau geregelt werden muss, um den Therapieerfolg nicht zu gefährden.
Hohe Energiedichten ( High Power Handling )
Fluorid-Fasern wurden bereits erfolgreich in Applikationen mit optischen Energien von bis zu 915 J/cm² eingesetzt.
Mechanische Eigenschaften ( Mechanical Properties )
Um MIR-Fasern mit guten mechanischen und optischen Eigenschaften produzieren zu können, hat IR-Photonics einen neuen zum Patent angemeldeten Fertigungsprozess für Single- und Multi-Mode-Fasern entwickeln müssen. Jetzt können MIR-Fasern mit ähnlichen oder besseren mechanischen Eigenschaften als Quarzglasfasern industriell produziert werden. So bricht beispielsweise die 125µm-Faser von IR-Photonics erst bei einem Krümmungsradius von 4mm!
Umgebungsbedingungen ( Environmental Properties )
Die Lebensdauer von Fluorid-Fasern wurde anhand der ursprünglich für die Datenkommunikation entwickelten Telcordia Tests mit 25 Jahren bestimmt. Die Umgebungsbedingungen waren dabei 500 MPa, 80°C und 80% relativer Feuchte. Die Umwelteinflüsse wurden mittels Zero-Stress-Aging und mit dynamischen/statischen Ermüdungstests simuliert.
Hyperspektralkamera mit extrem geringem Streulicht
Die Spektralkamera STIR 1.4 von Lumetrix misst für jedes der 1,4M-Pixel ein optisches Spektrum und berechnet daraus die radiometrischen Leistungswerte an dieser Stelle und jeder Wellenlänge zwischen 400nm und 720nm. Die Spektren werden grafisch dargestellt und können einfach in Reports integriert werden. Das heisst Sie können räumliche Verteilungen bestimmer Wellenlängen messen, ohne beliebig viele Filter in den Srahlengang schieben zu müssen. Alles geht schnell, einfach und automatisch.
Das Messsystem zeichnet sich durch extrem geringes Streulicht, eine spektrale Genauigkeit von 1nm, einen nominalen Bandpass von 7nm und einen Dynamikbereich von über 6 Dekaden aus. Damit können jetzt auch Farbinhomogenitäten bestimmt werden, weil ein Algorithmus die Farbkoordinaten nach CIE automatisch bestimmt. Sie stellen das Messobjekt vor die Kamera und messen gleich richtig und genau. Dabei hilft die neue Photometrica-Software, die von jedem schnell bedient werden kann, der mit gängigen Office-Programmen arbeitet. Deshalb sind auch Analysen und Reports schnell erstellt und an neue Bedürfnisse angepasst. Anwendungen sind in der Charakterisierung von Lichtquellen, in der Biotechnlogie und der Forensik. Messresultate und Bild können überlagert werden. Die spektralen Informationen für jedes Pixel erlauben auch Auswertungen über räumliche Verteilungen von Fluoreszenzen, die bisher nicht möglich waren.
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