DE1772690C - Optisches Element mit Mehrfach reflexion Ausscheidung aus 1285761 - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element mit Mehrfachreflexion, das an einen langgestreckten, nahezu völlig strahlungsdurchlässigen Körper mit hohem Brechungindex besteht, der planare in geringem Abstand voneinander liegenden Grenzflächen aufweist.

In Artikeln in »Physical Review Letters« vom 1. März 1960, S. 224 bis 226, und in »Physical Review«, Band 124, Nr. 4, 1962, S. 1165 bis 1170, sind eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben worden, die sich zur Untersuchung Jer physikalischen und chemischen Eigenschaften von Oberflächen mit Hilfe frustierter Totalreflexion eignen. Bei dieser Vorrichtung wird Ultrarotstrahlung auf die Endfläche eines optischen Elementes geirchtet, das unter einem derartigen Winkel geschliffen ist, daß das Strahlungsbündel auf eine der Grenzflächen dieses Elementes unter einem Winkel auftritt, der größer als der Grenzwinkel ist, so daß Totalreflexion auftritt und das Bündel zu einer gegenüberliegenden reflektierenden Grenzfläche reflektiert wird, auf die es gleichfalls unter einem Winkel auftritt, der größer als der Grenzwinkel ist, so daß wiederum Totalreflexion auftritt, usw. In den vorstehend erwähnten Artikeln ist beschrieben worden, daß das Bündel, das sich durch Mehrfachreflexion an den Grenzflächen durch das ganze optische Element hindurch ausbreitet, jedesmal auch, in der Nähe einer reflektierenden Grenzfläche, in das dünnere, d. h. optisch weniger dichte, an das optische Element angrenzende Medium eindringt, wobei bei oder in der Nähe von molekularen Resonanzfrequenzen eine Wechselwirkung zwischen der Strahlung und z. B. Verunreinigungen auf den erwähnten Oberflächen innerhalb der Eindringtiefe auftritt. So kann z. B. ein Ultrarotabsorptionsspektrum erhalten werden, das kennzeichnend für die Zusammensetzung des Materials auf der Oberfläche eines Halbleiters ist. Es wurde auchvorguschlagen, eine derartige Vorrichtung für die Ultrarot-

analyse von Gasen unter Verwendung des Prinzips der Gaschromatographie anzuwenden. Wenn das durch den Chromatographen hindurchströmende Gas mit einer gekühlten halbleitenden Mehrfachreflexionsplatte in Berührung gebracht wird, kondensiert ein

Teil auf der Oberfläche. Infolge der vielen Reflexionen, die sich in der Platte ergeben, wenn das Ultrarotbündel hindurchläuft, wobei jede Reflexion eine Wechselwirkung mit dem Kondensat bedeutet, liefen ein dünner Kondensatfilm ein Spektrum, das stark genug ist, um verhältnismäßig geringe Mengen einer im

Gas enthaltenen Komponente leicht zu identifizieren

Bei diesen bekannten Vorrichtungen ist die übliche

Form der Mehrfachreflexionsplatte eine dünne ebene Platte mit abgeschrägten, unter einem Winkel von 45°

as geschliffenen Enden. Dadurch, daß das Bündel senkrecht auf eins der abgeschrägten Enden gerichtet wird, wird erzielt, daß das Bündel unter Winkeln, die etwas größer als der Grenzwinkel sind, auf die Begrenzungsflächen fällt. Diese bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, daß die Richtung des einfallenden Bündels und somit die Zahl der Reflexionen in der Mehrfachreflexionsplatte nahezu völlig durch die gegebene Gestalt des abgeschrägten Endes des Mehrfachreflctionselementes bestimmt werden, wodurch die Größe der Wechselwirkung und die Zahl der möglichen Wechselwirkungen festgelegt sind.

Die bekannten Elemente dieser Art sind jedoch recht kompliziert und teuer. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfaches und billiges optisches EIement mit Mehrfachreflexion zu schaffen.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einem optischen Element eingangs erwähnter Art dadurch erreicht, daß die Stirnflächen des Körpers so ausgebildet sind, daß innerhalb eines vorbestimmbaren Winkelbereiches das Strahlungsbündel am gleichen Ende in das Element ein und aus ihm austritt.

Das Strahlenbündel läuft hierbei einmal durch das optische Element hindurch, wobei es von der der Eintrittsfläche gegenüberliegenden Oberfläche total reflektiert wird. Die erhöhte Zahl der Reflexionen bedeutet eine erhöhte Zahl von Wechselwirkungen mit der zu analysierenden Substanz. Eine weitere Folge ist, daß ein Ende des optischen Elementes frei ist und somit einfach in die Flüssigkeit eingetaucht werden kann, deren Absorptionsspektrum erwünscht wird, oder, wenn es erforderlich ist, das optische Element in eine abgeschlossene Hülle anzuordnen, daß nur ein einziges Fenster am kombinierten Ende zum Austreten und Eintreten erforderlich ist.

Vorzugsweise ist bei dem optischen Element nach der Erfindung das erwähnte Ende keilförmig ausgebildet, wobei die Schenkel des Keils ungleich lang sein können.

Gemäß einer anderen Ausführungsform des EIementes nach der Erfindung weist das Ende die Form eines Halbzylinders auf wobei die Achse des Zylinders nahezu parallel zu den Grenzflächen verläuft. Hierbei ist der Durchmesser des 2!ylinders zweckmä-

Big größer als der Abstand der Grenzflächen voneinander. Eine Vorrichtung mit einem optischen Element dieser Art weist das Merkmal aaf, daß das Element um die Achse des Zylinders drehbar ist, so daß die Zahl der Reflexionen an den Grenzflächen des EIe- S mentes veränderlich ist.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ansicht einer Ausführungsform eines Elementes nach der Erfindung, die geeignet ist, optische Spektren verschiedener Substanzen zu erzielen; in

F i g. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Elementes nach Fig. 1 dargestellt, die es ermöglicht, den Einfallswinkel und die Zahl der Reflexionen einzustellen;

F i g. 3 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Elementes nach F i g. 2, bei der sich eine viel größere Zahl innerer Reflexionen ergibt,

F i g. 4 zeigt eine weitere abgeänderte Ausführungsform des Elementes, bei der die Strahlungsverluste beschränkt sind.

Das Element nach F i g. I besteht aus einer flachen Platte 15 aus optisch nahezu völlig durchlässigem Material mit einem keilförmigen Ende, dessen linke Oberfläche 16 die Eintrittsfläche für die Strahlung ist und dessen rechte Oberfläche 17 als Austrittsfläche für die Strahlung dient. Wie durch den Strahl 18 angegeben ist, läuft die Strahlung, die durch die Eintrittsfläche 16 eintritt, durch Totalreflexion nach unten durch das Element 15 und läuft dann wieder durch das gleiche Element zurück nach oben, um schließlich durch die Austrittsfläche 17 herauszutreten. Das Element 15 kann in ein Gefäß 19 eingetaucht oder in ihm aufgehängt werden, das eine geeignete Probe 20 des flüssigen (oder in einem anderen Aggregatzustand befindlichen) zu analysierenden Stoffes enthält.

Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der ein Nachteil des Elementes nach F i g. 1 vermieden wird, der darin besteht, daß der Einfallswinkel des Bündels und die Zahl der Reflexionen nahezu völlig festliegen. Wenn das die Strahlung empfangende Ende 22 des optischen Elementes 23 gekrümmt ausgebildet und das Element um den Mittelpunkt 24 des Krümmungshalbmessers des gekrümmten Endes 22 gedreht wird, lassen sich der Einfallswinkel und die Zahl der Reflexionen leicht ändern. Da£ als ausgezogene Linie dargestellte Strahlungsbündel 26 gibt einen Einfallswinkel an, bei dem sich sieben Reflexionen an der Oberfläche des Elementes 23 ergeben, während das als gestrichelte Linie gezeichnete Bündel 27 einen kleineren Einfallswinkel zeigt, der mit einer Zunahme der Zahl der Reflexionen auf dreizehn verbunden ist. D'e zulässige Änderung des Einfallswinkels wird durch die Anforderung beschränkt, daß das einfallende und das austretende Bündel durch den gemeinsamen Drehpunkt 24 hindurchgehen müssen. Weiter muß berücksichtigt werden, daß, wenn sich der Einfallswinkel ändert, sich durch die Länge des Strahlen- weges im Element und somit die Lage des äußeren Brennpunktes ändert. Dies läßt sich erforderlichenfalls durch eine gesonderte Einstellung des Brennpunktes des einfallenden Bündels von Hand oder durch eine geeignete Kupplung ausgleichen, durch die das Kippen oder Drehen des Elementes 23 mit den üblichen Spiegeln in den Sptutrometern verbunden ist, so daß sich ein selbsttätiger Ausgleich ergibt.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der es möglich ist, den Einfallswinkel und die Zahl der Reflexionen zu ändern, wobei die Gesamtzahl der Reflexionen stark erhöht werden kann. Dies wird durch Verwendung einer sehr dünnen Platte 34 ermöglicht. Infolge der vielen Reflexionen füllt die Strahlung die ganze Platte. Infolgedessen sind die Eintritts- und Austriltsflächen als Brennflächen wirksam, und die Tatsache. daß sie einen gemeinsamen Drehpunkt 35 haben. macht es viel einfacher, das Element im Spektrometer oder einem anderen zu verwendenden Gerät richtig einzustellen. Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform sind zur Erleichterung des Eintritts des Strahlenbündels 36 optische Mittel in Form zweier Viertelzylinder 30 und 31 vorgesehen, die einander gegenüber in optischer Berührung mit der Verlängerung der Grenzflächen 32 bzw. 33 am Ende des Elementes 34 stehen. Diese Ausführungsform hat aber den Nachteil, daß 50%> der Strahlungsleistung verlorengeht, weil die Hälfte der Strahlung so austritt, dai> sie wieder zur Quelle hingerichtet ist, so daß sie nich: für Detektion verfügbar ist. Wenn dieser Nachteil stierend ist, läßt er sich dadurch vermeiden, daß die Eintrittsfläche 38 kleiner als die Austrittsfläche 39 ausgebildet wird, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. Dies eignet sich insbesondere für äußere optische Mittel, bei denen es sich um die Abbildung eines Spaltes handelt, der im allgemeinen schmal in bezug auf die Stral· lungsquelle und die Eintrittsfläche des optischen EIe mentes ist.

Es dürfte einleuchten, daß die Ausführungsformen nach den F i g. 1 bis 4 nicht nur im Falle von Flüssigkeiten vorteilhaft sind, sondern auch dann Vorteile bieten, wenn sie beim aus einem Gaschromatographen ausströmenden Gas und zum Studieren von Feststoffen, insbesondere in Form dünner Schichten oder Niederschlägen, Verwendung finden.

Die Abbildungen in den F i g. 1 bis 4 sind Seitenansichten der Platten, die deren Länge und Dicke zeigen. Die Breitenabmessung steht senkrecht auf der Zeichenebene. Besonders geeignete Abmessungen für eine Platte, wie sie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, sind: Länge 60 mm, Breite 15 mm und Dicke 5 mm. Die Platten nach den F i g. 3 und 4 könnten eine Dicke von 1 mm haben.

Die detektierte Strahlung kann in einem üblichen, mit einem Papierstreifen arbeitenden Registriergerät in Form einer Kurve aufgezeichnet werden, die die Intensität der detektierten Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge angibt. In der Praxis kann der Detektor ein thermoelektrisches Element oder dergleichen, z. B. eine Indiumantimonidzelle, sein. Die Strahlung, die scheinbar von den einander gegenüberliegenden Grenzflächen total reflektiert wird, dringt in Wirklichkeit in das flüssige (oder in einem anderen Aggregatzustand befindliche) Medium ein, das rn das optische Element grenzt, wobei das erwähnte Medium optisch dünner als das Element ist. Die Eindringtiefe des Bündels in das dünnere Medium ist etwa eine Wellenlänge und hängt vom Einfallswinkel ab. Jc nach der Wellenlänge der Strahlung kann eine Wechselwirkung zwischen der Strahlung und dem dünneren Medium innerhalb der Eindringtiefe bei oder in der Nähe Ultrarotstrahlung z. B. kann ein Ultrarotabsoiptionsvon molekularen Resonanzfrequenzen auftreten. Bei Spektrum erhalten werden, das kennzeichnend für die Zusammensetzung der Flüssigkeit auf der Oberfläche der Platte ist. "

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optisches Element mit Mehrfachreflexion, das aus einem langgestreckten, nahezu völlig strahlungsdurchlässigen Körper mit hohem Brechungsindex besteht, der planare in geringem Abstand voneinander liegende Grenzflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen des Körpers so ausgebildet sind, daß innerhalb eines vorbestimmbaren Winkelbereichs das Strahlungsbündel am gleichen Ende in den Körper ein und aus ihm austritt.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Ende keilförmig ist.

3. Optisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel des Keils ungleich lang sind.

4. Optisches Element nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Ende die Form eines Halbzylinders aufweist und die Achse des Zylinders nahezu parallel zu den Grenzflächen ist.

5. Optisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Zylinders größer als der Abstand der Grenzflächen voneinander ist.

6. Optisches Element nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element um die Achse des Zylinders drehbar ist, so daß die Zahl der Reflexionen an den Grenzflächen des Elementes veränderbar ist.