DE102016102430B3

DE102016102430B3 - long path

Info

Publication number: DE102016102430B3
Application number: DE102016102430.9A
Authority: DE
Inventors: Tom Rubin; Stephan Putzke
Original assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie; Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Current assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie; Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Priority date: 2016-02-11
Filing date: 2016-02-11
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2036-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Langwegzelle (10), insbesondere Herriott-Zelle, mit einem ersten Spiegel (12) und einem zweiten Spiegel (14). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (12) ein erstes Erstspiegel-Segment (42.1) und zumindest ein zweites Erstspiegel-Segment (42.2), das das erste Erstspiegel-Segment (42.1) radial umgibt, aufweist, wobei sich die Erstspiegel-Segmente (42) in ihren Krümmungen (R42.1,42.2) oder Brennweiten unterscheiden, der zweite Spiegel (14) ein erstes Zweitspiegel-Segment (44.1) und zumindest ein zweites Zweitspiegel-Segment (44.2), das das erste Zweitspiegel-Segment (44.1) radial umgibt, aufweist, wobei sich die Zweitspiegel-Segmente (44) in ihren Krümmungen (R42.1, R42.2) oder Brennweiten unterscheiden, das erste Erstspiegel-Segment (42.1) und das erste Zweitspiegel-Segment (44.1) so einander zugeordnet sind, dass ein Lichtstrahl zwischen beiden hin- und zurückreflektiert wird und dass das zweite Erstspiegel-Segment (42.2) und das zweite Zweitspiegel-Segment (44.2) so einander zugeordnet sind, dass ein Lichtstrahl zwischen beiden hin- und zurückreflektiert wird.The invention relates to a long path cell (10), in particular Herriott cell, with a first mirror (12) and a second mirror (14). According to the invention, it is provided that the first mirror (12) has a first first-mirror segment (42.1) and at least one second first-mirror segment (42.2) which radially surrounds the first first-mirror segment (42.1) the first mirror segments (42) in their curvatures (R42.1,42.2) or focal lengths differ, the second mirror (14) a first second mirror segment (44.1) and at least a second second mirror segment (44.2), the first second mirror Segment (44.1) radially, wherein the second mirror segments (44) differ in their curvatures (R42.1, R42.2) or focal lengths, the first first-mirror segment (42.1) and the first second-mirror segment (FIG. 44.1) are associated with each other such that a light beam is reflected back and forth between the two and that the second first-mirror segment (42.2) and the second second-mirror segment (44.2) are associated with each other so that a light beam between both back and back kreflektiert is.

Description

Die Erfindung betrifft eine Langwegzelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Langwegzelle wird beispielsweise in der Spektroskopie verwendet, um einen Lichtstrahl auf einem möglichst langen Weg durch ein Probenvolumen zu schicken, sodass die Wechselwirkung zwischen dem Lichtstrahl und dem Material im Probenraum besonders intensiv ist.The invention relates to a long path cell according to the preamble of claim 1. Such a long path cell is used for example in spectroscopy to send a light beam on the longest possible path through a sample volume, so that the interaction between the light beam and the material in the sample space is particularly intense ,

Aus der US 9 250 175 B1 ist eine gattungsgemäße Langwegzelle bekannt, bei der einer der Spiegel aus einem ersten und einem zweiten Spiegelsegment besteht, wodurch die Anzahl an Reflektionen erhöht werden kann.From the US 9 250 175 B1 a generic Longweg cell is known in which one of the mirrors consists of a first and a second mirror segment, whereby the number of reflections can be increased.

In der US 2011/0 164 251 A1 ist eine gattungsgemäße Langwegzelle beschrieben, bei der mittels eines Umlenkspiegels ein zweites Reflexionsmuster erzeugt wird.In the US 2011/0 164 251 A1 a generic Langwegzelle is described in which by means of a deflection mirror, a second reflection pattern is generated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Langwegzelle vorzuschlagen. Die Erfindung löst das Problem durch eine Langwegzelle mit den Merkmalen von Anspruch 1.The invention has for its object to propose an improved Langwegzelle. The invention solves the problem by a Langwegzelle with the features of claim 1.

Eine derartige Langewegzelle hat den Vorteil, dass sie bei vorgegebenem Bauraum eine besonders lange Wegstrecke für den Lichtstrahl bereitstellt. Der Hintergrund ist, dass die Segmente so gebaut werden können, dass der Abstand in Umfangsrichtung von zwei benachbarten Auftreffpunkten im Wesentlichen nicht vom radialen Abstand des Auftreffpunkts (das heißt einer Radialkoordinate) abhängt. So können die Segmente so ausgebildet werden, dass die Auftreffpunkte eng benachbart liegen.Such a long-distance cell has the advantage that it provides a particularly long travel distance for the light beam given a given installation space. The background is that the segments may be constructed such that the circumferential spacing of two adjacent landing points is not substantially dependent on the radial distance of the point of impact (ie, a radial coordinate). Thus, the segments can be formed so that the impact points are closely adjacent.

Die Abstände der Auftreffpunkte in Umfangsrichtung hängen nämlich bei gegebenem Spiegelabstand von der Krümmung des jeweiligen Spiegels am jeweiligen Auftreffpunkt des Lichtstrahls ab. Das führt dazu, dass bei Spiegeln mit konstanter Krümmung der Abstand in Umfangsrichtung von benachbarten Auftreffpunkten umso größer wird, je größer der radiale Abstand der Auftreffpunkte ist. Um die zur Verfügung stehende Spiegelfläche optimal auszunutzen, sollten die Auftreffpunkte möglichst dicht beieinander liegen. Das wird durch die sich unterscheidenden Krümmungen bei sphärisch gekrümmten Segmenten erreicht.The distances of the impact points in the circumferential direction namely for a given mirror distance from the curvature of the respective mirror at the respective point of impact of the light beam from. As a result, in the case of mirrors having a constant curvature, the distance in the circumferential direction from adjacent impact points becomes greater the greater the radial distance of the impact points. In order to optimally utilize the available mirror surface, the impact points should be as close together as possible. This is achieved by the differing curvatures in spherically curved segments.

Ist zumindest eines der Segmente parabolisch gekrümmt, was eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, unterscheiden sich die Segmente entweder dadurch, dass sie parabolisch oder sphärisch gekrümmt sind, oder – wenn zwei Segmente parabolisch gekrümmt sind – in ihren Brennweiten. Besonders günstig ist es, wenn alle Segmente parabolisch gekrümmt sind.If at least one of the segments is parabolically curved, which is a preferred embodiment, the segments differ either in being parabolically or spherically curved, or - if two segments are parabolically curved - in their focal lengths. It is particularly favorable if all segments are parabolically curved.

Der radiale Abstand ist der Abstand zu einer optischen Längsachse der Langwegzelle. Wird der Lichtstrahl – was eine bevorzugte Ausführungsform darstellt – zumindest drei Mal zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel hin- und zurückreflektiert, so liegen die Auftreffpunkte des Lichtstrahls auf einem Segment vorzugsweise entlang eines Kreises, dessen Mittelpunkt auf der Längsachse liegt.The radial distance is the distance to an optical longitudinal axis of the long path cell. If the light beam, which represents a preferred embodiment, is reflected back and forth at least three times between the first mirror and the second mirror, the points of incidence of the light beam on a segment are preferably along a circle whose center lies on the longitudinal axis.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Spiegel eine Vorrichtung verstanden, die zumindest bezüglich einer Wellenlänge einen Reflexionsgrad von zumindest 0,95, insbesondere 0,98 aufweist.In the context of the present description, a mirror is understood to mean a device which has a reflectance of at least 0.95, in particular 0.98, with respect to at least one wavelength.

Unter dem Merkmal, dass sich die Segmente in ihren Krümmungen bzw. Brennweiten unterscheiden, wird insbesondere verstanden, dass die Funktion, die die Krümmungen in den Segmenten in Abhängigkeit von der Längsachse beschreibt, an den Grenzen räumlich benachbarter Segmente unstetig ist. Alternativ sind die Segmente gebildet durch ring- oder teilringförmige und/oder sphärische Abschnitte, in denen sich die Krümmungen um zumindest 1 Promille unterscheiden. Unter dem Auftreffpunkt wird der Punkt der höchsten Intensität des Lichtstrahls verstanden. Der Lichtstrahl ist vorzugsweise ein Laserstrahl.By the feature that the segments differ in their curvatures or focal lengths, it is understood, in particular, that the function which describes the curvatures in the segments as a function of the longitudinal axis is discontinuous at the boundaries of spatially adjacent segments. Alternatively, the segments are formed by annular or semi-annular and / or spherical sections in which the curvatures differ by at least 1 per thousand. The impingement point is the point of the highest intensity of the light beam. The light beam is preferably a laser beam.

Bei sphärisch gekrümmten Spiegel-Segmenten ist vorzugsweise die Krümmung im radial weiter außen liegenden Segment größer als im radial innen benachbart liegenden Segment. Günstig ist es, wenn die Segmente in ihren Oberflächen nicht bündig ineinander übergehen. Vorzugsweise gilt für zumindest ein Segment, insbesondere für die Mehrheit der Segmente, dass das radial weiter innen liegende Segment am Übergang zwischen beiden Segmenten axial dichter an einem Mittelpunkt der Langwegzelle liegt. So ergibt sich eine kompakte Bauweise.In the case of spherically curved mirror segments, the curvature in the radially outer segment is preferably larger than in the segment lying radially inward. It is favorable if the segments do not merge flush in their surfaces. For at least one segment, in particular for the majority of the segments, it preferably applies that the segment located radially further inward lies axially closer to a mid-point of the long-path cell at the transition between the two segments. This results in a compact design.

Bei parabolisch gekrümmten Spiegel-Segmenten unterscheiden sich die Brennweiten vorzugsweise um zumindest ein Promille, insbesondere zumindest zwei Promille.In the case of parabolic curved mirror segments, the focal lengths preferably differ by at least one per thousand, in particular at least two per thousand.

Ein Spiegel-Segment ist stets entweder sphärisch gekrümmt, plan oder parabolisch gekrümmt. Die Spiegel sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie eine sich fortlaufend wiederholende Selbst-Zentrierung und Fokussierung des Lichtstrahls bewirken und so einer Aufweitung des Lichtstrahls entgegen wirken.A mirror segment is always either spherically curved, plane or parabolically curved. The mirrors are preferably arranged so that they cause a repetitive self-centering and focusing of the light beam and thus counteract a widening of the light beam.

Günstig ist es, wenn zumindest ein Zweitspiegel-Segment plan ist. Plan bedeutet insbesondere ungekrümmt, wobei eine Oberfläche mit einer Krümmung mit einem Krümmungsradius von mehr als einem Kilometer als ungekrümmt betrachtet wird. Vorzugsweise ist die maximale Formabweichung einer Oberfläche eines Spiegel-Segments in einem Auftreffpunkt kleiner als λ/2, wobei λ die zentrale Vakuum-Wellenlänge des verwendeten Lichtstrahls ist, also die mit der höchsten Intensität.It is favorable if at least a second mirror segment is flat. In particular, plan means un-curved, with a surface having a curvature having a radius of curvature greater than one kilometer being considered uncurved. Preferably, the maximum shape deviation is a Surface of a mirror segment at an impact point smaller than λ / 2, where λ is the central vacuum wavelength of the light beam used, that is, the one with the highest intensity.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Spiegel ein drittes Erstspiegel-Segment, dass das zweite Erstspiegel-Segment radial umgibt, auf, wobei sich das dritte Erstspiegel-Segment und das zweite Erstspiegel-Segment in ihren Krümmungen unterscheiden, wobei der zweite Spiegel zumindest ein drittes Zweitspiegel-Segment, das das zweite Zweitspiegel-Segment radial umgibt, aufweist, und wobei sich das dritte Zweitspiegel-Segment und das zweite Zweitspiegel-Segment in ihren Krümmungen unterscheiden. Das dritte Erstspiegel-Segment und das dritte Zweitspiegel-Segment sind so zueinander angeordnet, dass ein in die Langwegzelle eingekoppelter Lichtstrahl zwischen beiden hin- und zurückreflektiert wird. Da der Abstand in Umfangsrichtung auf einem Spiegel-Segment konstanter Krümmung mit zunehmendem radialen Abstand zunimmt, ist es günstig, wenn jeder Spiegel drei oder mehr Spiegel-Segmente aufweist, die zueinander so angeordnet sind, dass ein Lichtstrahl zwischen einander zugeordneten Segmenten hin- und zurückreflektiert wird. Im vorliegenden Fall ist das erste Erstspiegel-Segment dem ersten Zweitspiegel-Segment zugeordnet. Ganz allgemein ist das i-te Erstspiegel-Segment dem i-ten Zweitspiegel-Segment zugeordnet, sodass ein in die Langwegzelle eingekoppelter Lichtstrahl zwischen zugeordneten Segmenten hin- und her reflektiert wird.According to a preferred embodiment, the first mirror has a third first-mirror segment that radially surrounds the second first-mirror segment, wherein the third first-mirror segment and the second first-mirror segment differ in their curvatures, wherein the second mirror is at least a third one Second mirror segment, which surrounds the second second mirror segment radially surrounds, and wherein the third two-mirror segment and the second second mirror segment differ in their curvatures. The third first-mirror segment and the third second-mirror segment are arranged relative to one another such that a light beam coupled into the long-path cell is reflected back and forth between the two. Since the circumferential spacing on a mirror segment of constant curvature increases with increasing radial distance, it is favorable if each mirror has three or more mirror segments arranged to each other so that a light beam reflects back and forth between associated segments becomes. In the present case, the first first-mirror segment is assigned to the first second-mirror segment. In general, the i-th first-mirror segment is assigned to the ith second-mirror segment, so that a light beam coupled into the long-path cell is reflected back and forth between assigned segments.

Vorzugsweise umfasst die Langwegzelle ein Reflexionselement, das eine Einkoppelfläche zum Einkoppeln eines Lichtstrahls in die Langwegzelle und eine Auskoppelfläche zum Auskoppeln des Lichtstrahls aus der Langwegzelle aufweist, wobei die Auskoppelfläche unter einem Versatzwinkel von zumindest 30° zur Auskoppelfläche verläuft. Günstig ist es, wenn die Einkoppelfläche und die Auskoppelfläche nahezu rechtwinklig zueinander verlaufen. Vorzugsweise weicht der Winkel zwischen Einkoppelfläche und Auskoppelfläche um zumindest 10 Winkelsekunden von 90° ab.The long-path cell preferably comprises a reflection element which has a coupling-in surface for coupling a light beam into the long-path cell and a coupling-out surface for coupling the light beam out of the long-path cell, wherein the coupling-out surface extends at an offset angle of at least 30 ° to the coupling-out surface. It is favorable if the coupling-in surface and the coupling-out surface run almost at right angles to one another. Preferably, the angle between coupling surface and decoupling surface deviates by at least 10 angular seconds from 90 °.

Besonders bevorzugt besitzt das Reflexionselement eine erste Reflexionsfläche, die so angeordnet ist, dass ein von der Einkoppelfläche eingekoppelter Lichtstrahl zunächst von einem Spiegel reflektiert wird, insbesondere mehrfach zwischen Spiegelsegmenten hin- und her reflektiert wird, danach auf die erste Reflexionsfläche trifft und im Strahlengang nach der ersten Reflexionsfläche auf ein anderes Spiegel-Segment des gleichen Spiegels trifft. Auf diese Weise kann das Reflexionselement die Lichtstrahlen von einem Spiegel-Segment auf ein benachbartes umlenken.Particularly preferably, the reflection element has a first reflection surface which is arranged such that a light beam coupled in by the coupling surface is first reflected by a mirror, in particular repeatedly reflected back and forth between mirror segments, then strikes the first reflection surface and in the beam path after first reflecting surface meets another mirror segment of the same mirror. In this way, the reflection element can deflect the light beams from one mirror segment to an adjacent one.

Günstig ist es, wenn das Reflexionselement zudem eine zweite Reflexionsfläche aufweist, die den Lichtstrahl auf eines der beiden dritten Spiegel-Segmente leitet.It is favorable if the reflection element also has a second reflection surface which directs the light beam onto one of the two third mirror segments.

Das Einkoppelelement ist vorzugsweise zwischen den Spiegeln angeordnet. Darunter wird insbesondere verstanden, dass das Einkoppelelement in dem Raum aller Punkte angeordnet ist, die auf Strecken zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel liegen.The coupling element is preferably arranged between the mirrors. This is understood to mean, in particular, that the coupling-in element is arranged in the space of all points which lie on paths between the first mirror and the second mirror.

Vorzugsweise ist bei transversaler Einkopplung das Reflexionselement so ausgebildet, dass ein von der Auskoppelfläche ausgekoppelter Lichtstrahl in Verlängerung eines mittels der Einkoppelfläche eingekoppelten Lichtstrahls verläuft. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass ein Abstand zwischen einer ersten Geraden, entlang derer sich der eingekoppelte Lichtstrahl erstreckt, und einer zweiten Geraden, entlang derer sich der ausgekoppelte Lichtstrahl erstreckt, und der in einer Ebene gemessen wird, der senkrecht zur ersten Geraden verläuft und den Auftreffpunkt des eingekoppelten Lichtstrahls auf das Einkoppelelement geht, höchstens 750 μm beträgt. Alternativ oder zusätzlich ist der Winkelfehler zwischen der ersten Geraden und der zweiten Geraden kleiner als 0,5°.Preferably, in the case of transversal coupling, the reflection element is embodied such that a light beam coupled out from the coupling-out surface runs as an extension of a light beam coupled in by means of the coupling-in surface. This is to be understood in particular as meaning that a distance between a first straight line along which the coupled-in light beam extends and a second straight line along which the coupled-out light beam extends and which is measured in a plane which is perpendicular to the first straight line and the point of impact of the coupled light beam is on the coupling element, at most 750 microns. Alternatively or additionally, the angle error between the first straight line and the second straight line is less than 0.5 °.

Eine derartige Langwegzelle lässt sich, wie oben bereits beschrieben, besonders einfach in den Strahlengang einer Vorrichtung, beispielsweise einer Spektroskopievorrichtung, einsetzen.As already described above, such a long path cell can be inserted particularly easily into the beam path of a device, for example a spectroscopy device.

Vorzugsweise ist die erste Reflexionsfläche also angeordnet zum Reflektieren des Lichtstrahls, der von einem Segment mit einer ersten Krümmung auf die Reflexionsfläche fällt, auf ein Segment mit einer von der ersten Krümmung verschiedenen zweiten Krümmung.Preferably, the first reflection surface is thus arranged for reflecting the light beam, which falls from a segment having a first curvature on the reflection surface, on a segment having a second curvature different from the first curvature.

Vorzugsweise sind die nicht-planen Segmente so gekrümmt, dass ein Abstand in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Auftreffpunkten auf dem gleichen nicht-planen Segment sich nur zu höchstens 50% von einem Mittelwert aller Abstände in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Auftreffpunkten unterscheidet. In anderen Worten sind die Abstände in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Auftreffpunkten zumindest im Wesentlichen gleich. Vorzugsweise ist dieser Mittelwert aller Abstände höchstens zehnmal, insbesondere fünfmal, so groß wie ein mittlerer Strahldurchmesser der Lichtstrahlen in den Auftreffpunkten. Der Strahldurchmesser ist definiert als die Halbwertsbreite (full width at half maximum). So kann eine besonders lange Wegstrecke in der Langwegzelle realisiert werden. Der Strahldurchmesser kann sich ändern und bezieht sich immer auf die Stelle, an der das jeweilige Merkmal gelten soll.Preferably, the nonplanar segments are curved so that a circumferential distance between two adjacent landing points on the same nonplanar segment differs only 50% or less from an average of all circumferentially spaced intervals between two adjacent landing points. In other words, the distances in the circumferential direction between two adjacent impact points are at least substantially equal. Preferably, this mean value of all distances is at most ten times, in particular five times, as large as a mean beam diameter of the light beams in the impact points. The beam diameter is defined as the full width at half maximum. Thus, a particularly long distance in the long-distance cell can be realized. The beam diameter can change and always refers to the point where the respective feature should apply.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Langwegzelle ein Halteelement, wobei der erste Spiegel und der zweite Spiegel zentral am Halteelement befestigt sind. Unter dem Merkmal, dass die Spiegel zentral am Halteelement befestigt sind, wird verstanden, dass jeder Spiegel einen Zentralbereich hat, der radial innen liegt und der mit dem Spiegel verbunden ist. In anderen Worten verlaufen die Lichtstrahlen radial außerhalb vom Halteelement. Günstig ist es, wenn eine Längsachse der Langwegzellen durch das Halteelement verläuft. According to a preferred embodiment, the long-distance cell comprises a holding element, wherein the first mirror and the second mirror are fastened centrally on the holding element. By the feature that the mirrors are fastened centrally to the holding element, it is understood that each mirror has a central region which lies radially inward and which is connected to the mirror. In other words, the light rays extend radially outside of the holding element. It is favorable if a longitudinal axis of the long-travel cells runs through the retaining element.

Günstig ist es, wenn zumindest eines der Erstspiegel-Segmente über zumindest 75%, insbesondere zumindest 90%, seiner Fläche plan ist, zumindest eines der Zweitspiegel-Segmente über zumindest 75%, insbesondere 90%, seiner Fläche plan ist, das plane Erstspiegel-Segment von einem gekrümmten Erstspiegel-Segment umgeben ist und das plane Zweitspiegel-Segment von einem gekrümmten Zweitspiegel-Segment umgeben ist. In diesem Fall wird der Strahl oft zwischen den planen Spiegel-Segmenten hin und her reflektiert, bis der Lichtstrahl auf das gekrümmte Spiegel-Segment trifft.It is favorable if at least one of the first-mirror segments is plane over at least 75%, in particular at least 90%, of its surface, at least one of the second-mirror segments is planer over at least 75%, in particular 90%, the flat first mirror plane. Segment is surrounded by a curved first-mirror segment and the planar second-mirror segment is surrounded by a curved second-mirror segment. In this case, the beam is often reflected back and forth between the plane mirror segments until the light beam strikes the curved mirror segment.

Es ist möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass das Erstspiegel-Segment und/oder das Zweitspiegel-Segment einen Wechsel-Abschnitt aufweist. Dieser Wechsel-Abschnitt ist relativ zu dem sonstigen Bereich des Spiegel-Segments so geneigt, dass ein auf den Wechselabschnitt auftreffender Lichtstrahl nicht auf das zugeordnete Spiegel-Segment reflektiert wird, sondern auf ein anderes Spiegel-Segment, beispielsweise ein radial weiter außen liegendes Spiegel-Segment.It is possible, and represents a preferred embodiment, that the first-mirror segment and / or the second-mirror segment has an exchange section. This change section is inclined relative to the other area of the mirror segment such that a light beam striking the change section is not reflected onto the assigned mirror segment but onto another mirror segment, for example a mirror mirror located radially further out. Segment.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Langwegzelle eine Umsetzvorrichtung aufweist, die außerhalb der konvexen Hülle der Spiegel angeordnet ist. Die konvexe Hülle ist die Menge all derjenigen Punkte, die auf einer Strecke liegen, für die gilt, dass der Endpunkt der Geraden auf dem ersten Spiegel liegt und der zweite Endpunkt auf dem zweiten Spiegel. Vorzugsweise besitzt dazu zumindest einer der Spiegel ein Loch, sodass der Lichtstrahl auf die Umsetzvorrichtung auftreffen und von diesem durch das gleiche Loch oder ein zweites Loch auf den anderen Spiegel reflektiert werden kann. Dabei wird der Lichtstrahl nicht auf das Spiegel-Segment reflektiert, das demjenigen Spiegel-Segment zugeordnet ist, in dem das Loch ausgebildet ist, sondern auf ein anderes Spiegel-Segment, beispielsweise ein radial weiter außerhalb liegendes Spiegel-Segment.Alternatively or additionally, it is possible that the long-distance cell has a transfer device, which is arranged outside the convex envelope of the mirror. The convex hull is the set of all those points that lie on a path for which the end point of the line lies on the first mirror and the second end point on the second mirror. Preferably, at least one of the mirrors has a hole for this, so that the light beam can impinge on the transfer device and can be reflected by the latter through the same hole or a second hole on the other mirror. In this case, the light beam is not reflected on the mirror segment, which is assigned to that mirror segment in which the hole is formed, but to another mirror segment, for example, a radially further outlying mirror segment.

Erfindungsgemäß ist zudem eine Spektroskopievorrichtung mit einer Langwegzelle, wie sie oben beschrieben ist.According to the invention is also a spectroscopic device with a Langwegzelle, as described above.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:In the following the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Showing:

1 einen schematischen Querschnitt durch eine Langwegzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 1 a schematic cross section through a Langwegzelle according to an embodiment of the invention,

2 eine schematische Ansicht, die den Pfad des Lichtstrahls illustriert, 2 a schematic view illustrating the path of the light beam,

3 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Langwegzelle und 3 shows a fourth embodiment of Langwegzelle invention and

4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Langwegzelle, bei der der Wechsel zwischen zwei Segmenten durch ein tortenstückförmiges Teilstück des inneren Segmentes und ein anschließend vom Lichtstrahl getroffenes Teilstück des äußeren Segmentes realisiert wird. 4 shows a further embodiment of a Langwegzelle invention, in which the change between two segments is realized by a pie-shaped portion of the inner segment and then struck by the light beam portion of the outer segment.

5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Langwegzelle mit einer Umsetzvorrichtung zum Umsetzen des Lichtstrahls von einem Paar Spiegel-Segmente auf ein zweites Paar Spiegel-Segmente und 5 shows a further Langwegzelle invention with a conversion device for converting the light beam from a pair of mirror segments on a second pair of mirror segments and

6 zeigt in der Teilfigur 6a eine weitere erfindungsgemäße Langwegzelle, bei der das innere Paar einander zugeordneter Spiegel-Segmente plan ist mit einem ersten Teil des Strahlverlaufs, und das Teilbild 6b zeigt schematisch den vollständigen Strahlverlauf. 6 shows in the subfigure 6a another Longwegzelle invention, in which the inner pair of mutually associated mirror segments is flat with a first part of the beam path, and the partial image 6b schematically shows the complete beam path.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Langwegzelle 10 in Form einer Herriott-Zelle, die einen ersten Spiegel 12 und einen zweiten Spiegel 14 aufweist. Der erste Spiegel 12 besitzt eine erste Spiegelfläche 16, der zweite Spiegel 14 besitzt eine zweite Spiegelfläche 18, die dem ersten Spiegel 12 zugewandt ist. Der erste Spiegel 12 ist im vorliegenden Fall abschnittsweise sphärisch und hat einen ersten Krümmungsradius R₁₂(r), der für jeden radialen Abstand r einem zweiten Krümmungsradius R₁₄(r) des zweiten Spiegels entspricht. 1 shows a Langwegzelle invention 10 in the form of a Herriott cell, the first mirror 12 and a second mirror 14 having. The first mirror 12 has a first mirror surface 16 , the second mirror 14 has a second mirror surface 18 that the first mirror 12 is facing. The first mirror 12 in the present case is partially spherical and has a first radius of curvature R ₁₂ (r), which corresponds to a second radius of curvature R ₁₄ (r) of the second mirror for each radial distance r.

Es ist aber auch möglich, dass einer oder beide Spiegel ganz oder abschnittsweise Parabolspiegel sind. Auch in diesem Fall entspricht vorzugsweise der Krümmungsradius eines Spiegels für jeden radialen Abstand r dem zweiten Krümmungsradius R₁₄(r) des zweiten Spiegels.However, it is also possible for one or both mirrors to be parabolic mirrors in whole or in sections. Also in this case, preferably the radius of curvature of a mirror for each radial distance r corresponds to the second radius of curvature R ₁₄ (r) of the second mirror.

Die Langwegzelle 10 umfasst ein Reflexionselement 54, das eine Einkoppelfläche 22 und eine Auskoppelfläche 24 besitzt. Der Abschnitt des Reflexionselements 54, an dem die Einkoppelfläche 22 und die Auskoppelfläche 24 ausgebildet sind, kann als Einkoppelelement 20 bezeichnet werden.The long-distance cell 10 includes a reflection element 54 that has a coupling surface 22 and a decoupling surface 24 has. The section of the reflection element 54 at which the coupling surface 22 and the decoupling surface 24 are formed, can as a coupling element 20 be designated.

Fällt ein Lichtstrahl 26, insbesondere ein Laserstrahl, der von einem Laser 28 ausgesandt wird, auf die Einkoppelfläche 22, so reflektiert diese den Lichtstrahl 26 auf den ersten Spiegel 12. Der Lichtstrahl 26 trifft daher zunächst in einem ersten Auftreffpunkt 30.1 auf den ersten Spiegel 12 auf. Danach reflektiert der erste Spiegel 12 den Lichtstrahl 26 auf einen zweiten Auftreffpunkt 30.2 auf dem zweiten Spiegel 14, danach trifft der Lichtstrahl 26 auf einen dritten Auftreffpunkt 30.3 und einen vierten Auftreffpunkt 30.4. If a ray of light falls 26 , in particular a laser beam emitted by a laser 28 is sent to the coupling surface 22 , so this reflects the light beam 26 at the first mirror 12 , The light beam 26 therefore first meets in a first impact point 30.1 at the first mirror 12 on. Thereafter, the first mirror reflects 12 the light beam 26 on a second impact point 30.2 on the second mirror 14 , then the beam of light hits 26 on a third impact point 30.3 and a fourth point of impact 30.4 ,

Der Lichtstrahl 26 ist in anderen Worten mehrfach von den Spiegeln 12, 14 hin- und zurückreflektiert worden. Danach – oder nach weiteren Reflexionen an den Spiegeln – trifft der Lichtstrahl 26 auf eine erste Reflexionsfläche 32, die den Lichtstrahl 26 auf einen fünften Auftreffpunkt 30.5 auf der zweiten Spiegelfläche 18 leitet. Im vorliegenden Fall erstreckt sich die erste Reflexionsfläche 32 entlang zweier zueinander senkrecht verlaufender Ebenen.The light beam 26 In other words, it is multiple of the mirrors 12 . 14 been reflected back and forth. After that - or after further reflections on the mirrors - the light beam hits 26 on a first reflection surface 32 that the light beam 26 on a fifth point of impact 30.5 on the second mirror surface 18 passes. In the present case, the first reflection surface extends 32 along two mutually perpendicular planes.

Nachdem der Laserstrahl die Auftreffpunkte 30.6, 30.7 und 30.8 durchlaufen hat, trifft er auf die Auskoppelfläche 24. Der entstehende ausfallende Lichtstrahl 26b, der ein Abschnitt des Lichtstrahls 26 ist, verläuft in direkter Verlängerung des einfallenden Abschnitts 26a des Lichtstrahls 26. In anderen Worten existiert eine Gerade g, entlang derer sich sowohl der einfallende Lichtstrahl 26a als auch der ausfallende Lichtstrahl 26b erstrecken.After the laser beam the impact points 30.6 . 30.7 and 30.8 has passed through, he meets the decoupling surface 24 , The resulting emergent light beam 26b , which is a section of the ray of light 26 is, runs in direct extension of the incident section 26a of the light beam 26 , In other words, there exists a straight line g, along which both the incident light beam 26a as well as the failing light beam 26b extend.

Es ist zu erkennen, dass die Auskoppelfläche 24 unter einem Versatzwinkel α zur Einkoppelfläche 22 orientiert ist. Im vorliegenden Fall beträgt α = 90°, was eine mögliche Ausführungsform beim zweidimensionalen Strahlenverlauf darstellt. Besonders günstig ist es jedoch, wenn der Versatzwinkel beim üblicherweise auftretenden dreidimensionalen Strahlenverlauf um zumindest 10 Bogensekunden von 90° verschieden ist.It can be seen that the decoupling surface 24 at an offset angle α to the coupling surface 22 is oriented. In the present case α = 90 °, which represents a possible embodiment of the two-dimensional beam path. However, it is particularly advantageous if the offset angle is different from the usually occurring three-dimensional beam path by at least 10 arcseconds of 90 °.

Die Langwegzelle 10 besitzt eine Längsachse L. Die Längsachse L verläuft durch die beiden Punkte P₁₂, P₁₄, die sich dadurch auszeichnen, dass ein gedachter Lichtstrahl zwischen diesen beiden Punkten beständig hin- und her reflektiert würde.The long-distance cell 10 has a longitudinal axis L. The longitudinal axis L passes through the two points P ₁₂ , P ₁₄ , which are characterized in that an imaginary light beam between these two points would constantly reflected back and forth.

In einem Kreiskoordinatensystem um die Längsachse L wird die Abstandskoordinate r von der Längsachse L aus gemessen. Die z-Koordinate in diesem Koordinatensystem kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, vorzugsweise ist aber z = 0 an dem Punkt der auf der Längsachse L liegt und der genau zwischen den Punkten P₁₂ und P₁₄ liegt.In a circular coordinate system about the longitudinal axis L, the distance coordinate r is measured from the longitudinal axis L. The z-coordinate in this coordinate system can basically be chosen arbitrarily, but preferably z = 0 at the point lying on the longitudinal axis L and lying exactly between the points P ₁₂ and P ₁₄ .

Es sei darauf hingewiesen, dass 1 lediglich eine schematische Seitenansicht der Langwegzelle 10 zeigt. Es ist möglich, dass die beiden Spiegel zwischen einander einen größeren Abstand haben.It should be noted that 1 only a schematic side view of Langwegzelle 10 shows. It is possible that the two mirrors have a greater distance between each other.

Wie 1 zeigt, besitzt der erste Spiegel 12 ein erstes Erstspiegel-Segment 42.1, ein zweites Erstspiegel-Segment 42.2 und ein drittes Erstspiegel-Segment 42.3. Das zweite Erstspiegel-Segment 42.2 umgibt das erste Erstspiegel-Segment 42.1 radial. Das dritte Erstspiegel-Segment 42.3 umgibt das zweite Erstspiegel-Segment 42.2 radial. Die Segmente 42.1, 42.2, 42.3 sind sphärisch gekrümmt und unterscheiden sich in ihren Krümmungen. So ist der Krümmungsradius R_42.1 des ersten Erstspiegel-Segments 42.1 größer als der Krümmungsradius R_42.2 des zweiten Erstspiegel-Segments 42.2. Der Krümmungsradius R ist in der vorliegenden Ausführungsform umso kleiner, je größer der Abstand r des jeweiligen Segments von der Längsachse L ist. Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, in denen der Krümmungsradius R zumindest nicht immer kleiner wird, je größer der Abstand r des jeweiligen Segments von der Längsachse L ist.As 1 shows, owns the first mirror 12 a first first-mirror segment 42.1 , a second first-mirror segment 42.2 and a third first-mirror segment 42.3 , The second first-mirror segment 42.2 surrounds the first first-mirror segment 42.1 radial. The third first-mirror segment 42.3 surrounds the second first-mirror segment 42.2 radial. The segments 42.1 . 42.2 . 42.3 are spherically curved and differ in their curvatures. Thus, the radius of curvature R _{42.1 of} the first first-mirror segment 42.1 greater than the radius of curvature R _{42.2 of} the second first- _mirror segment 42.2 , The radius of curvature R is smaller in the present embodiment, the greater the distance r of the respective segment from the longitudinal axis L. However, embodiments are also possible in which the radius of curvature R is at least not always smaller, the larger the distance r of the respective segment from the longitudinal axis L is.

Jedem Erstspiegel-Segment 42.i ist ein Zweitspiegel-Segment 44.i (i = 1, 2, ...) zugeordnet. Der Lichtstrahl 26 wird in der vorliegenden Ausführungsform solange zwischen dem Paar aus Erstspiegel-Segment 42.i und zugeordnetem Zweitspiegel-Segment 44.i hin- und her reflektiert, bis es auf eine Reflexionsfläche oder die Auskoppelfläche 24 trifft.Each first-mirror segment 42.i is a second-mirror segment 44.i (i = 1, 2, ...) assigned. The light beam 26 is in the present embodiment as long as between the pair of first-mirror segment 42.i and associated second-mirror segment 44.i reflected back and forth until it hits a reflection surface or the decoupling surface 24 meets.

Der einfallende Lichtstrahl 26a trifft zunächst auf die Einkoppelfläche 22 und dann nach Durchlaufen der Auftreffpunkte 30.1, 30.2, 30.3 und 30.4 auf die erste Reflexionsfläche 32. Im Strahlengang nach der ersten Reflexionsfläche 32 trifft der Lichtstrahl 26 dann im fünften Auftreffpunkt 30.5 auf den ersten Spiegel 12. Nach Durchlaufen der Auftreffpunkte 30.6, 30.7 und 30.8 trifft der Lichtstrahl 26 auf die Auskoppelfläche 24 und wird aus der Langwegzelle 10 ausgekoppelt. Selbstverständlich ist es möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass das Einkoppelelement 20 weitere Reflexionsflächen aufweist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der erste Spiegel 12 und/oder der zweite Spiegel 14 zusätzliche Segmente aufweist.The incident light beam 26a first meets the coupling surface 22 and then after passing through the impact points 30.1 . 30.2 . 30.3 and 30.4 on the first reflection surface 32 , In the beam path after the first reflection surface 32 the light beam hits 26 then in the fifth impact point 30.5 at the first mirror 12 , After passing through the impact points 30.6 . 30.7 and 30.8 the light beam hits 26 on the decoupling surface 24 and becomes the long-distance cell 10 decoupled. Of course, it is possible and constitutes a preferred embodiment that the coupling element 20 has further reflection surfaces. In this case, it is advantageous if the first mirror 12 and / or the second mirror 14 has additional segments.

1 zeigt, dass die erste Reflexionsfläche 32 dazu dient, den Lichtstrahl von einem Segment auf das nächste umzusetzen. Die Segmente sind – was eine bevorzugte Ausführungsform darstellt – so ausgebildet, dass der Lichtstrahl 26 stets zwischen dem gleichen Paar einander zugeordneter Spiegel-Segmente aus Erstspiegel-Segment und Zweitspiegel-Segment hin- und zurückreflektiert wird, bis er auf eine Reflexionsfläche trifft. Danach läuft der Lichtstrahl ausschließlich auf einem zweiten Paar aus Erstspiegel-Segment und Zweitspiegel-Segment, bis er entweder auf die Auskoppelfläche oder eine weitere Reflexionsfläche trifft. 1 shows that the first reflection surface 32 this serves to convert the light beam from one segment to the next. The segments are - which represents a preferred embodiment - designed so that the light beam 26 is always reflected back and forth between the same pair of mutually associated mirror segments from the first-mirror segment and the second-mirror segment until it encounters a reflection surface. Thereafter, the light beam runs exclusively on a second pair of first-mirror segment and second mirror segment until it hits either the decoupling surface or another reflection surface.

2 zeigt schematisch den Strahlweg des Lichtstrahls 26, den dieser zwischen den Segmenten 42.3 und 44.3 zurücklegt. Ein Abstand a in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Auftreffpunkten, beispielsweise zwischen den Auftreffpunkten 30. 39.7 oder 30.9 und 30.1, ist in guter Näherung konstant. Ein radialer Abstand r ist für jeden Auftreffpunkt im Wesentlichen gleich. In anderen Worten gilt r_30.7 = r_30.9, wobei zwei Abstände als im Wesentlichen gleich betrachtet wird, wenn sich die Abstände um weniger als 25% unterscheiden. 2 schematically shows the beam path of the light beam 26 This one between the segments 42.3 and 44.3 travels. A distance a in the circumferential direction between adjacent impact points, for example between the impact points 30 , 39.7 or 30.9 and 30.1 , is constant to a good approximation. A radial distance r is substantially the same for each impact point. In other words, r _30.7 = r _30.9 , where two distances are considered substantially equal if the distances differ by less than 25%.

Für ein radial weiter innen liegendes Segment, im vorliegenden Fall für das Erstspiegel-Segment 42.2 und das Zweitspiegel-Segment 44.2, ist der Abstand a in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Auftreffpunkten ebenfalls vorzugsweise im Wesentlichen gleich.For a radially inner segment, in the present case for the first-mirror segment 42.2 and the second-mirror segment 44.2 , the distance a in the circumferential direction between adjacent impact points is also preferably substantially equal.

Die Langwegzelle 10 ist so ausgebildet, dass der Abstand a in Umfangsrichtung zweier benachbarter Auftreffpunkte größer ist als die doppelte Halbwertsbreite des Lichtstrahls. Vorzugsweise ist dieser Abstand zudem kleiner als das 20-fache, insbesondere als das 10-fache, der Halbwertsbreite. Um diese Randbedingungen unabhängig vom Segment einhalten zu können, unterscheiden sich die Krümmungen der einzelnen Segmente 42.e, 44.i für unterschiedliche i.The long-distance cell 10 is formed so that the distance a in the circumferential direction of two adjacent impact points is greater than twice the half-width of the light beam. In addition, this distance is preferably less than 20 times, in particular 10 times, the half width. In order to be able to comply with these boundary conditions independently of the segment, the curvatures of the individual segments differ 42.e . 44.i for different i.

2 zeigt, dass die Langwegzelle 10 eine Lichtleitfaser 56 aufweisen kann, bei der der Lichtstrahl 26 vom Laser 28 auf das Einkoppelelement 20 zugeführt wird. Günstig ist es, wenn die Lichtleitfaser 56 in einem Auskoppelelement 58 endet. 2 shows that the long-distance cell 10 an optical fiber 56 may comprise, wherein the light beam 26 from the laser 28 on the coupling element 20 is supplied. It is favorable if the optical fiber 56 in a decoupling element 58 ends.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Langwegzelle 10, bei der die Spiegel 12, 14 wie in 1 gezeigt aufgebaut sind. Die Langwegzelle 10 umfasst ein Halteelement 46, an denen die beiden Spiegel 12, 14 zentral befestigt sind. Es ist zu erkennen, dass der Lichtstrahl 26 durch eine Öffnung 48 im Spiegel 12 in die Langwegzelle 10 eintritt und durch die gleiche Öffnung 48 wieder austritt. 3 shows a further embodiment of a Langwegzelle invention 10 in which the mirrors 12 . 14 as in 1 are shown shown. The long-distance cell 10 includes a holding element 46 where the two mirrors 12 . 14 are attached centrally. It can be seen that the light beam 26 through an opening 48 in the mirror 12 into the long-distance cell 10 enters and through the same opening 48 exits again.

Eine unabhängige Erfindung ist zudem eine Spektroskopievorrichtung 50, die den Laser 28, die Langwegzelle 10 und eine Lichtstrahl-Analysevorrichtung 52 aufweist.An independent invention is also a spectroscopic device 50 that the laser 28 , the long-distance cell 10 and a light beam analyzing device 52 having.

3 zeigt zudem schematisch das Reflexionselement 54, an dem die Reflexionsflächen 32 und 34 ausgebildet sind. Bei den Ausführungsformen gemäß der 1 und 2 ist das Reflexionselement Teil des Einkoppelelements 20 (vgl. 1). Der Übersichtlichkeit halber sind in 3 die Strahlwege nach Reflexion an der ersten Reflexionsfläche 32 und der zweiten Reflexionsfläche 34 nur schematisch eingezeichnet. Der Lichtstrahl 26 wird in diesem Fall beispielsweise durch ein Loch 59 im Halteelement 46 ausgekoppelt. Alternativ kann die Detektionsvorrichtung 52 auch auf dem Halteelement 46 befestigt oder darin enthalten sein. 3 also shows schematically the reflection element 54 at which the reflection surfaces 32 and 34 are formed. In the embodiments according to the 1 and 2 the reflection element is part of the coupling element 20 (see. 1 ). For the sake of clarity, in 3 the beam paths after reflection at the first reflection surface 32 and the second reflection surface 34 only schematically drawn. The light beam 26 in this case, for example, through a hole 59 in the holding element 46 decoupled. Alternatively, the detection device 52 also on the retaining element 46 attached or contained therein.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Langwegzelle 10, bei der der Lichtstrahl 26 einen kompletten Umlauf vollführt. Es ist alternativ möglich, dass der Lichtstrahl 26 durch die Öffnung 48 in die Langwegzelle 10 eingekoppelt wird. Das erste Erstspiegel-Segment 42.1 ist gebildet aus einem Wechselabschnitt 60 und einer Spiegelfläche 62. Die Spiegelfläche 62 ist sphärisch gekrümmt. Das zugeordnete erste Zweitspiegel-Segment 44.1 ist ebenfalls sphärisch gekrümmt und parallel zur Spiegelfläche 62 ausgerichtet. Licht, das auf die Spiegelfläche 62 trifft, wird auf das erste Zweitspiegel-Segment 44.1 reflektiert. Trifft der Lichtstrahl 26 auf den Wechselabschnitt 60, so wird er auf das zweite Zweispiegel-Segment 44.2 reflektiert. Vor dort aus wird es auf das zweite Erstspiegel-Segment 42.2 reflektiert. Durch eine zweite Öffnung 64 wird der Lichtstrahl 26 aus der Langwegzelle 10 wieder ausgekoppelt. 4 shows a second embodiment of a Langwegzelle invention 10 in which the light beam 26 completes a complete circulation. It is alternatively possible that the light beam 26 through the opening 48 into the long-distance cell 10 is coupled. The first first-mirror segment 42.1 is formed of a changing section 60 and a mirror surface 62 , The mirror surface 62 is spherically curved. The associated first second mirror segment 44.1 is also spherically curved and parallel to the mirror surface 62 aligned. Light on the mirror surface 62 meets, is on the first secondary mirror segment 44.1 reflected. Meets the light beam 26 on the change section 60 so he gets on the second two-mirror segment 44.2 reflected. From there it will be on the second first-mirror segment 42.2 reflected. Through a second opening 64 becomes the light beam 26 from the Langweg cell 10 decoupled again.

Alternativ ist möglich, dass ein Abschnitt eines Spiegel-Segments, ähnlich wie der Wechselabschnitt 60, so ausgebildet ist, dass der Lichtstrahl 26 seitlich eingekoppelt werden kann.Alternatively, it is possible for a portion of a mirror segment to be similar to the interchangeable portion 60 , is formed so that the light beam 26 can be coupled laterally.

5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Langwegzelle 10, die eine Umsetzvorrichtung 66 aufweist. Diese Umsetzvorrichtung ist außerhalb des Volumens zwischen den Spiegeln 12, 14 angeordnet und reflektiert den Lichtstrahl von einem Erstspiegel-Segment auf ein anderes. Die Zahlen benachbart zu den Auftreffpunkten nummerieren die Auftreffpunkte durch, sodass der Strahlverlauf leichter verfolgt werden kann. Es ist zu erkennen, dass der Lichtstrahl 26 durch die Öffnung 48 eingekoppelt und durch die zweite Öffnung 64 ausgekoppelt wird. 5 shows a further Langwegzelle invention 10 that is a transfer device 66 having. This transfer device is outside the volume between the mirrors 12 . 14 arranged and reflects the light beam from a first-mirror segment to another. The numbers adjacent to the points of impact number the points of impact so that the beam path can be tracked more easily. It can be seen that the light beam 26 through the opening 48 coupled and through the second opening 64 is decoupled.

6 zeigt in den Teilfiguren 6a und 6b schematisch den Strahlverlauf für eine Langwegzelle 10, bei der das erste Erstspiegel-Segment 42.1 und das erste Zweitspiegel-Segment 44.1 plan sind und dass zweite Erstspiegel-Segment 42.2 und das zweite Zweitspiegel-Segment 44.2 sphärisch gekrümmt sind. 6 shows in the partial figures 6a and 6b schematically the beam path for a Langwegzelle 10 in which the first first-mirror segment 42.1 and the first second mirror segment 44.1 are plan and that second first-mirror segment 42.2 and the second secondary mirror segment 44.2 are spherically curved.

6a zeigt den Fall, dass der Abstand der beiden Spiegel 12, 14 so groß ist, dass der Strahlengang der einer Herriott-Zelle entspricht. 6a shows the case that the distance between the two mirrors 12 . 14 is so large that the beam path corresponds to that of a Herriott cell.

6b zeigt den Strahlverlauf, wenn der Abstand der beiden Spiegel 12, 14 so klein ist (hier: ein Drittel des Abstands gemäß 6a), dass deutlich mehr Reflexionen erfolgen. Die Positionen der Auftreffpunkte auf 44.1 entsprechen den Strahlpositionen im Querschnitt bei z = –1/6 D(Spiegelabstand aus 6a). Die Positionen der Auftreffpunkte auf 42.1 entsprechen den Strahlpositionen im Querschnitt bei z = +1/6 D. Die Anzahl der Reflektionen auf den inneren planen Segmenten ist in diesem Fall doppelt so groß wie die auf den äußeren gekrümmten Segmenten. Schiebt man die Spiegel weiter zusammen, so dass der Abstand gleich D/(2N + 1) ist, wobei N eine natürlich Zahl ist, so ist die Anzahl der Reflektionen auf den inneren planen Segmenten 2N mal größer als auf den äußeren gekrümmten. So ließen sich beispielsweise 100 Reflektionen auf dem äußeren Segment realisieren und bei einem dreizehntel des Spiegelabstandes berechnet für die gewöhnliche Herriott-Zelle oder analog dem dreizehnfachen Krümmungsradius der Spiegel erhielte man 12 × 100 = 1200 Reflektionen auf den planen Spiegeln und somit 1300 Reflektionen insgesamt. Bei einem Spiegelabstand von nur etwa 77 cm erreicht man so eine optische Weglänge von über einem Kilometer, bei gleichzeitiger Erhaltung der Strahleigenschaften und Robustheit wie sie für die gewöhnliche Herriott-Zelle üblich sind. 6b shows the beam path when the distance between the two mirrors 12 . 14 so small (here: one third of the distance according to 6a ), that significantly more reflections take place. The positions of the impact points 44.1 correspond to the beam positions in cross section at z = -1/6 D (mirror distance off 6a ). The positions of the impact points 42.1 correspond to the beam positions in cross section at z = +1/6 D. The number of reflections on the inner planar segments is in this case twice as large as that on the outer curved segments. If the mirrors are further collapsed so that the distance equals D / (2N + 1), where N is a natural number, the number of reflections on the inner planar segments is 2N times larger than on the outer curved ones. Thus, for example, 100 reflections could be realized on the outer segment and calculated at one thirteen of the mirror distance for the ordinary Herriott cell or, analogously, the thirteenfold radius of curvature of the mirrors would give 12 × 100 = 1200 reflections on the plane mirrors and thus 1300 reflections in total. With a mirror distance of only about 77 cm, one achieves an optical path length of more than one kilometer, while at the same time preserving the beam properties and robustness that are customary for the ordinary Herriott cell.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Langwegzellelong path
1212: erster Spiegelfirst mirror
1414: zweiter Spiegelsecond mirror
1616: erste Spiegelflächefirst mirror surface
1818: zweite Spiegelflächesecond mirror surface
2020: Einkoppelelementcoupling element
2222: Einkoppelflächecoupling surface
2424: Auskoppelflächeoutcoupling
2626: Lichtstrahlbeam of light
26a26a: einfallender Lichtstrahlincident light beam
26b26b: ausfallender Lichtstrahlfailing light beam
2828: Laserlaser
3030: Auftreffpunktof impact
3232: erste Reflexionsflächefirst reflection surface
3434: zweite Reflexionsflächesecond reflection surface
3636: dritte Reflexionsflächethird reflection surface
3838: vierte Reflexionsflächefourth reflection surface
4040: fünfte Reflexionsflächefifth reflection surface
4242: Erstspiegel-SegmentErstspiegel segment
4444: Zweitspiegel-SegmentSecondary mirror segment
4646: Halteelementretaining element
4848: Öffnungopening
5050: Spektroskopievorrichtungspectroscopic device
5252: Lichtstrahl-AnalysevorrichtungBeam analyzer
5454: Reflexionselementreflection element
5656: Lichtleitfaseroptical fiber
5858: Auskoppelelementoutcoupling
6060: Wechselabschnittchanging section
6262: Spiegelflächemirror surface
6464: Öffnungopening
6666: Umsetzvorrichtungrelocating
αα: Versatzwinkeloffset angle
aa: Abstanddistance
gG: GeradeJust
LL: Längsachselongitudinal axis
rr: Abstandskoordinatedistance coordinate
RR: Krümmungsradiusradius of curvature
DD: Spiegelabstand AusgangswertMirror distance output value

Claims

Long-distance cell ( 10 ), in particular Herriott cell, with (a) a first mirror ( 12 ) and (b) a second mirror ( 14 ), characterized in that (c) the first mirror ( 12 ) - a first first-mirror segment ( 42.1 ) and - at least a second first-mirror segment ( 42.2 ), which is the first first-mirror segment ( 42.1 ) radially surrounds, -, wherein the first mirror segments ( 42 ) in their curvatures (R _42.1 , R _42.2 ) or focal lengths, (d) the second mirror ( 14 ) - a first secondary mirror segment ( 44.1 ) and - at least one second secondary mirror segment ( 44.2 ), which is the first secondary mirror segment ( 44.1 ) radially surrounds, - wherein the second mirror segments ( 44 ) in their curvatures (R _42.1 , R _42.2 ) or focal lengths, (e) the first first- _mirror segment ( 42.1 ) and the first second mirror segment ( 44.1 ) are assigned to each other such that a light beam is reflected back and forth between the two and that (f) the second first-mirror segment ( 42.2 ) and the second second mirror segment ( 44.2 ) are associated with each other so that a light beam is reflected back and forth between the two.

Long-distance cell ( 10 ) according to claim 1, characterized in that (a) the first mirror ( 12 ) - a third first-mirror segment ( 42.3 ), which is the second first-mirror segment ( 42.2 ) radially surrounds, -, wherein the third first-mirror segment ( 42.4 ) and the second first-mirror segment ( 42.2 ) in their curvatures (R _42.3 , R _42.2 ) or focal lengths, (b) the second mirror ( 14 ) - at least a third secondary mirror segment ( 44.3 ), which is the second secondary mirror segment ( 44.2 ) radially surrounds, -, the third second mirror segment ( 44.3 ) and the second second mirror segment ( 44.2 ) in their curvatures (R _44.3 , R _44.2 ) or focal lengths, and that (c) the third first-mirror segment ( 42.3 ) and the third secondary mirror segment ( 44.3 ) are associated with each other so that a light beam is reflected back and forth between the two.

Long-distance cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized by a reflection element ( 54 ), which - a coupling surface ( 22 ) for coupling a light beam ( 26 ) into the long-path cell ( 10 ) and - a decoupling surface ( 24 ) for decoupling the light beam ( 26 ) from the long-distance cell ( 10 ), wherein the decoupling surface ( 24 ) at an offset angle (α) of at least 30 ° to the coupling surface ( 22 ) runs.

Long-distance cell ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the reflection element ( 54 ), a first reflection surface ( 32 ), which is arranged so that one of the coupling surface ( 22 ) coupled light beam ( 26 ) - first of at least one mirror segment ( 44.3 ) is reflected, in particular multiple times between mirror segments ( 42.3 . 44.3 ) is reflected back and forth, - then to the first reflection surface ( 32 ) and - in the beam path after the first reflection surface ( 32 ) to another mirror segment ( 42.2 ) of the same mirror.

Long-distance cell ( 10 ) according to claims 2 and 4, characterized in that the reflection element ( 54 ) a second reflection surface ( 34 ) which is so relative to the coupling surface ( 22 ) is arranged such that one of the coupling surface ( 22 ) coupled light beam ( 26 ) from the first reflection surface ( 32 ) was reflected on a mirror segment, is reflected on a mirror segment to which it has not yet been hit in the preceding beam path.

Long-distance cell ( 10 ) according to one of claims 4 or 5, characterized in that the first reflection surface ( 32 ) is arranged for reflecting a light beam ( 26 ) of a mirror segment with a first curvature (R _42.1 ) or first focal length on the reflection surface ( 32 ) falls on a segment having a second curvature (R _42.2 ) different from the first curvature (R _42.1 ) or focal length.

Long-distance cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that - at least one of the first-mirror segments ( 42.1 ) over at least 75%, in particular at least 90%, of its surface is plane, - at least one of the second-mirror segments ( 44.1 ) over at least 75%, in particular at least 90%, of its surface is plane, - the planar first-mirror segment ( 42.1 ) of a curved first mirror segment ( 42.2 ) is surrounded and - the planar second mirror segment ( 44.1 ) of a curved second mirror segment ( 44.2 ) is surrounded.

Long-distance cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized by - a retaining element ( 46 ), The first mirror ( 12 ) and the second mirror ( 14 ) centrally on the holding element ( 46 ) are attached.

Long-distance cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized by at least one third, plane mirror, which is arranged so that a light beam ( 26 ) all mirrors hit, before he the Langwegzelle ( 10 ) leaves.

Long-distance cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized by an optical fiber ( 56 ), which is arranged to conduct the light beam ( 26 ) and which is arranged so that the light beam ( 26 ) into the long-path cell ( 10 ) can be coupled.